Optické vláknové ph senzory. Optical fiber ph sensors

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra teorie obvodů

Optické vláknové pH senzory

Optical fiber pH sensors

Diplomová práce

Studijní program: Biomedicínské inženýrství a informatika Studijní obor: Biomedicínské inženýrství Vedoucí práce: prof. Ing. Stanislav Zvánovec Ph.D. Konzultant specialista: Ing. Matěj Komanec Ph.D.

Bc. Ondřej Šimek

Praha 2015

.

II

Prohlášení Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem uvedl veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o dodržování etických principů při přípravě vysokoškolských závěrečných prací.

V Praze dne .........................................

........................................................... Podpis autora práce

III

Poděkování Velice rád bych poděkoval vedoucímu práce prof. Ing. Stanislavu Zvánovcovi Ph.D. za rady k dokončení práce a zejména pak panu Ing. Matěji Komancovi Ph.D.za cenné rady a pomoc při tvorbě práce. Dále bych pak rád poděkoval své rodině, přítelkyni a všem, kteří mě v mém studiu podporovali.

IV

Anotace Tato diplomová práce se zabývá návrhem struktury optovláknového pH senzoru, který je realizován pomocí zúžení optického vlákna, a měřením s několika vzorky zúžených vláken. Návrh a simulace jsou prováděny v softwarovém nástroji BeamPROP, který je součástí návrhového prostředí RSoft CAD. Protože zúžená optická vlákna využívají ke snímání interakci evanescentní vlny s okolím senzoru, je zde navržena struktura zúženého vlákna maximalizující citlivost na index lomu okolí senzoru pro jednovidová a vícevidová optická vlákna. K následnému měření byla využita zúžená vlákna s jinými parametry struktury, ale byl sledován předpokládaný trend při měření vodných roztoků o různém pH. Pro další navýšení citlivosti senzoru byla do měření zahrnuta methylenová modř.

Annotation This thesis describes the design of a fiber optic pH sensor, achieved through optical fiber tapering, and presents the results of measurement using several samples of tapered fibers. Design and simulations were carried out using the BeamPROP software tool, which is part of the RSoft CAD design environment. Because tapered optical fibers use the interaction of evanescent waves with sensor surroundings for measurement, a tapered fiber structure that maximizes sensitivity to the refractive index around the sensor for single- and multi-mode optical fibers is proposed. Tapered fibers with different structure parameters were used in measurements and the expected trend was observed in the measurement of aqueous solutions at different pH levels. The inclusion of methylene blue in the measurement further increased the sensitivity of the sensor.

V

Obsah 1.

Úvod ................................................................................................................................... 1

2.

Optické vlákno ................................................................................................................... 2

3.

2.1.

Vidy ve vlákně ............................................................................................................. 2

2.2.

Evanescentní vlna ........................................................................................................ 3

Senzory na bázi optického vlákna ...................................................................................... 5 3.1.

3.1.1.

Optovláknové senzory založené na měření změny intenzity záření..................... 6

3.1.2.

Optovláknové senzory založené na sledování změn spektra signálu ................... 8

3.1.3.

Optovláknové senzory založené na měření změny fáze ..................................... 13

3.1.4.

Optovláknové senzory založené na měření změny polarizace ........................... 15

3.2.

Měření pH .................................................................................................................. 17

3.2.1.

Veličina pH ........................................................................................................ 17

3.2.2.

Potenciometrické měření pH .............................................................................. 17

3.2.3.

Metody měření pH optovláknovými senzory ..................................................... 18

3.3.

4.

Rozdělení optovláknových senzorů ............................................................................. 6

Metody úprav optického vlákna ................................................................................ 21

3.3.1.

Vláknové mřížky - FBG (fiber Bragg gratings) ................................................. 22

3.3.2.

Zúžená optická vlákna ........................................................................................ 24

Simulace v programu BeamPROP ................................................................................... 32 4.1.

Jednovidová vlákna ................................................................................................... 32

4.2.

Vícevidová vlákna ..................................................................................................... 39

5.

Realizace a měření ........................................................................................................... 46

6.

Závěr................................................................................................................................. 55

7.

Zdroje ............................................................................................................................... 57

8.

Seznam obrázků ............................................................................................................... 60

9.

Seznam tabulek ................................................................................................................ 62 VI

10.

Seznam použitých zkratek ............................................................................................. 63

11.

Seznam příloh ................................................................................................................ 64

12.

Obsah přiloženého CD .................................................................................................. 64

13.

Tištěné přílohy............................................................................................................... 65

Příloha A - Naměřené hodnoty............................................................................................. 65

VII

1. Úvod V dnešní době je hojně využíváno optických vláken v širokém spektru lidské činnosti. Na rozdíl od běžného vedení se dají využívat i v místech s vysokým elektromagnetickým rušením nebo v chemicky aktivních prostředích. To samé pak platí pro optovláknové senzory, které nacházejí uplatnění ve stavebnictví při monitoringu stavebních konstrukcí, v moderních raketách a kosmonautice jako gyroskopy, v lékařství jako prostředky pro diagnostiku během vyšetření magnetickou resonancí nebo počítačovou tomografií a mnoha jiných oborech. Pravě v lékařství se s nimi stále častěji setkáváme díky jejich rozměrům vhodným pro in vivo sledování a vysoké biokompatibilitě. A protože je pH jednou z velmi důležitých charakteristik krve nebo průběhu biochemických dějů při pěstování buněk v laboratorních podmínkách, optovláknové senzory pH mají i v této sféře značný potenciál pro využití. V teoretické části této práce jsou nejprve popsány typy optovláknových senzorů a vlastnosti přenášeného záření, které jsou snímáním ovlivněny. Dále tato část pojednává o měření pH. V závěru kapitoly je část věnovaná úpravám optických vláken, sloužících k posílení snímacího principu senzorů, konkrétně Braggovským mřížkám a zúženým vláknům. V další části práce je popsán návrh struktury taperovaného vlákna, která byla výsledkem simulací v programu BeamPROP. Struktura je navržena pro jednovidové i vícevidové vlákno. Poté byla provedena měření s několika taperovanými vlákny na vodných roztocích s různým pH a byl pozorován vliv na změnu útlumu přidáním methylenové modři do roztoků. Nakonec byly zhodnoceny získané výsledky.

1

2. Optické vlákno Vývoj techniky laserů počátkem 60. let vedl k obnovení zájmu o využití světla pro komunikaci. Díky objevu a následnému zdokonalení optického vlákna bylo možné využít plný potenciál světelného záření pro přenos informací. V moderní době se optická vlákna, kromě využití v telekomunikační infrastruktuře, hojně využívají i pro snímání fyzikálních a chemických jevů[8]. Optické vlákno je dielektrický vlnovod, nejčastěji vyrobený z různých druhů skla (křemenného), nebo plastu, ve kterém se šíří elektromagnetické vlny ve směru podélné osy vlákna. Nejčastěji se jedná o viditelné záření popřípadě infračervené záření. Skládá se z jádra, kterým je vedeno světlo, a pláště s nižším indexem lomu než jádro, který jádro obaluje. Celé optické vlákno je pokryto primární ochranou a případně dalšími ochranami. Zpravidla se vlákna dělí podle množství vidů šířících se vláknem na jednovidová a vícevidová.

2.1. Vidy ve vlákně Díky omezenému prostoru vlnovodu a interferenci světla, se ve vlákně vytvoří jednotlivé paprsky, které jsou vlastně stojatým vlněním. Z pohledu elektromagnetické optiky se jedná o ustálenou elektromagnetickou konfiguraci ve vlákně. Ve skutečnosti jsou paprsky aproximací módů, které představují určité rozdělení energie v optickém vlákně[1]. U paprsků procházejících jádrem, které dopadají na rozhraní jádro/plášť pod vyšším úhlem než je úhel kritický, dojde na tomto rozhrání k totálnímu odrazu a jsou vedeny takřka bez útlumu. Pokud však paprsky nesplňují podmínky pro totální odraz, ztrácejí při každém odrazu část energie a optické vlákno tyto paprsky nevede (respektive vede jen na krátkou vzdálenost). Paprsky, které se šíří optickým vláknem se dělí na meridionální a kosé[2]. Meridionální paprsky jsou takové paprsky, které procházejí osou optického vlákna a jsou tvořeny módy TE (transverzálně elektrické - elektrická složka je v rovině kolmé na směr šíření, ale malá část magnetické složky vystupuje z této roviny) a TM (transverzálně magnetické - magnetická složka je v rovině kolmé na směr šíření, ale malá část elektrické složky vystupuje z této roviny). Kosé paprsky jsou takové paprsky, které neprochází osou vlákna a opisují šroubovitý tvar kolem osy vlákna a jsou tvořeny hybridními módy HE a EH v závislosti na tom, jaká složka více vystupuje z roviny kolmé na směr šíření paprsku. Většina používaných optických vláken má velmi malý rozdíl indexu lomu jádra a pláště. Pro takové vlnovody je možné celý soubor vidů (TE, TM, HE, EH) aproximovat tzv. lineárně polarizovanými vidy LP lm. Obecně mají módy LP m maxim pole podél poloměru vlákna (v radiálním směru) a 2l maxim podél 2

obvodu vlákna (v axiálním směru) jako je tomu na Obr. 1. Módy v optickém vlákně se dají rozdělit do třech druhů na vedené módy, vyzařující módy a tunelující módy. Vedené módy splňují podmínku pro stojaté vlnění a dochází u nich k totálnímu odrazu a jsou vedeny jádrem s minimálními ztrátami. Vyzařující módy jsou navázány do vlákna tak, že na rozhraní jádra a pláště neprobíhá totální odraz a jejich energie se tedy ztrácí do pláště. Tunelující módy nesplňují podmínku totálního odrazu. Jedná se o nestabilní módy, které se přelévají mezi vedenými a vyzařujícími módy[18].

Obr. 1: Profil amplitudy elektrického pole módů vedených optickými vlákny se skokovou změnou indexu lomu, různé barvy znázorňují znaménko elektrického pole. [18]

2.2. Evanescentní vlna Evanescentní vlna vzniká při totálním odrazu v místě dopadu vlny na rozhraní dvou prostředí a má směr paralelní s rozhraním. Ačkoliv se většina energie odrazila, dochází k pronikání elektromagnetického pole v prostředí s nižším indexem lomu. Pole proniká do hloubky desítek až stovek nanometrů a jeho intenzita E exponenciálně klesá s kolmou vzdáleností x od vlákna [8] 3

𝐸=

𝑥 −Λ 𝐸0 𝑒

(2.1)

kde E0 je intenzita na rozhraní a Λ je hloubka průniku [8]

Λ=

λ (2.2)

2π n12 sin2 θi − n22

kde n1 a n2 jsou indexy lomu jádra a pláště, θi je úhel dopadu záření a λ jeho vlnová délka. Hloubka průniku je tedy vzdálenost, kde intenzita elektrického pole klesla na 1/e-tinu hodnoty na rozhraní. Při tvorbě optovláknových senzorů je evanescentní vlny hojně využíváno[8]. Využívá se zejména její závislosti na indexu lomu prostředí mimo vlnovod. Například tak, že se na obnažené jádro nenese látka, která v případě interakce s jinou látkou nebo v závislosti na měřené veličině změní svůj index lomu, což se projeví úbytkem intenzity.

Obr. 2: Vznik evanescentní vlny; θi - úhel dopadu, θc - kritický úhel, E - intenzita el. pole evanescentní vlny, E0 - intenzita el. pole na rozhraní, x - kolmá vzdálenost od rozhraní, Λ - hloubka průniku[36]

4

3. Senzory na bázi optického vlákna Obecně platí, že senzor může být definován jako zařízení, které dokáže detekovat fyzikální (teplota, síla, vlhkost…) nebo chemické jevy (přítomnost chemické látky, její koncentrace) a převádí je na fyzikální signál (světlo, elektřina), který je poté zpracován pozorovatelem nebo přístrojem v reálném čase. Obecná struktura optovláknového senzoru je znázorněna na (Obr. 3). Skládá se z optického zdroje (laser, LED, laserová dioda, halogenová lampa), optického vlákna, snímacího nebo modulačního prvku (který mění měřenou veličinou optický signál), optického detektoru a elektroniky pro zpracování signálu (měřič výkonu, optický spektrální analyzátor)[6].

Obr. 3: Základní sestava systému s optovláknovým senzorem a) transmisní b) reflexní

5

3.1. Rozdělení optovláknových senzorů Optovláknové senzory je možné rozdělit do čtyř různých kategorií: podle účelu vlákna v senzoru, podle prostorového uspořádání snímacích prvků, podle principu měření senzoru a podle aplikace. Některé optovláknové senzory využívají optické vlákno jen k přenosu informace od zdroje do místa snímání a snímací prvek jen moduluje signál přenášený optickým vláknem. Ve druhém případě je vlákno samotným snímacím prvkem, protože vlivem snímaného jevu a okolních fyzikálních podmínek opět dochází ke změně přenášeného záření. V tomto pořadí se pak tyto senzory nazývají intrinsické a extrinsické. Podle prostorového uspořádání snímacích prvků rozlišujeme senzory bodové - kde snímání probíhá v jednom místě, rozprostřené - kde snímání probíhá v mnoha bodech po délce celého vlákna a polo-rozprostřené, kde ke snímání dochází v několika diskrétních bodech na jednom vlákně nebo pomocí více vláken. Principem měření senzoru je myšlena vlastnost přenášeného záření, která je ovlivněna modulací v bodě měření. Vlastnostmi záření, jejichž změnu měříme, jsou intenzita, fáze, vlnová délka (spektrum) a polarizace. Některé senzory využívají kromě okamžitých hodnot těchto veličin i jejich časovou změnu. V závislosti na aplikaci se senzory rozdělují na fyzikální - měří se s nimi fyzikální vlastnosti jako teplota, napětí, atp. chemické - využívané pro měření pH, zjišťování přítomnosti plynů, atp. a biomedicínské - využívané v biomedicíně při měřeních v krevním řečišti, u měření vlastností plodu v těhotenství, atp. 3.1.1. Optovláknové senzory založené na měření změny intenzity záření Intenzitní optovláknové senzory využívají principů, které ovlivňují ztráty výkonu přenášeného signálu. Jsou zpravidla jednodušší než ostatní typy senzorů, ale z důvodu absence referenčního signálu jsou značně ovlivněny fluktuacemi zdroje světla a útlumem vlákna. Využívá se ztrát při ohybech vlákna, evanescentní vlny, záření černého tělesa nebo vyvázání a následné navázání signálu do vlákna. Výhodou těchto senzorů je jednoduché provedení, nízká cena a možnost multiplexování. Naproti tomu relativní měření a kolísání intenzity světla zdroje může vést k naměření nesprávných hodnot, pokud není použit referenční systém. Běžně se využívá prvků, které zkoumaný jev transformují na sílu, jež se pak vlivem převodníku, jako je na (Obr. 4), přenáší na vlákno a způsobuje vznik mikro- nebo makro-ohybů. Tyto ohyby způsobují, že část světla nedopadá na rozhraní jádra a pláště pod kritickým úhlem a začne unikat do pláště, což vede k modulaci intenzity. Protože je chování těchto senzorů značně ovlivněno přenášenými vidy, je možné jejich citlivost zlepšit technikou 6

pro selekci vidů, jako je například využití struktury kombinace jednovidových a vícevidového vlákna (SMS - single-mode - multi-mode - single-mode)[7]. V této struktuře, která je na Obr. 4, se do snímací oblasti šíří jen záření v nejnižším vidu.

Obr. 4: SMS struktura senzoru (vlevo) a její citlivost (vpravo)[7]

Další typ intenzitního optovláknového senzoru využívá interakci evanescentní vlny s okolím. Tyto senzory se velice často využívají v chemii. Snímací oblast je tvořena obnaženým jádrem bez pláště, zúženým vláknem nebo ohnutým vláknem do tvaru U, tzv. Usondou, která využívá vyvazování záření do pláště vlivem makro-ohybu. Využívá se světla o vlnové délce, kterou detekovaná chemikálie nejvíce pohlcuje. Výsledná změna intenzity je pak ukazatelem koncentrace detekované chemikálie. Kromě samotné reakce na chemikálii je možné využít látky, která reaguje na detekovanou chemikálii změnou optických vlastností, a nanést ji v zúžené oblasti na vlákno. Tyto látky jsou většinou součástí sol-gelu, který má k vláknu dobrou přilnavost. Pomocí snímačů založených na bázi vyzařování černého tělesa se obvykle měří teplota spektrometrickou metodou, ale využití konfigurace s detekcí intenzity je praktičtější a více spolehlivé. Protože je vlákno vystaveno i vysokým teplotám, využívají se vlákna s vyšší teplotní odolností, například safírové, případně se toto vlákno použije jen ve snímacím elementu. Na konec vlákna je umístěna dutinka, která v závislosti na teplotě září a chová se jako zdroj světla. Rozsah teplot pro tuto techniku je od 500°C do 2000°C. Pro měření pod 500°C se používá v kombinaci s fluorescencí[8]. Ve snímačích, ve kterých světlo opouští optické vlákno a vrací se do stejného, nebo se váže do jiného vlákna, se sleduje výkon, který se přes snímané místo přenese. Jsou to typické

7

příklady extrinsických senzorů: světlo musí být vyvázáno z vlákna, aby interagovalo s měřenou oblastí. Lze takto například dobře měřit posun nebo náklon systému (Obr. 5). Tento princip využívá možností jednoho nebo více vláken, jednovidových nebo vícevidových a transmisní nebo reflexní konfigurace.

Obr. 5: Transmisní (nahoře) a reflexní (dole) konfigurace senzorů.

3.1.2. Optovláknové senzory založené na sledování změn spektra signálu Spektroskopické senzory využívají posun vlnové délky přenášeného signálu nebo změnu jeho spektra. K tomu je zapotřebí složitější detekce než v případě intenzitních senzorů, k čemuž slouží optické spektrální analyzátory. Patří sem absorpční senzory, luminiscenční senzory, senzory na bázi vláknové mřížky, na bázi vyzařování černého tělesa a senzory využívající plazmonovou rezonanci. V prvním případě se využívá například absorpčních vlastností krystalu GaAs, který je umístěn na konci optického vlákna a který absorbuje část spektra a druhou část spektra propouští. Je tedy třeba využívat širokospektrální zdroj. Hrana, která rozděluje tyto dvě oblasti, je závislá na teplotě. Výhodou této metody je nezávislost na intenzitě záření, tedy útlumu vlákna, neboť se měří vlnová délka[9]. Kromě měření teploty se využívá absorpčních vlastností chromogenních látek, kterými se záření buď prosvěcuje, nebo jsou navázány na vlákno pomocí sol-gelu. Takovou látkou je například fenolová červeň, která mění svou barvu v závislosti na pH okolí, čehož se dá využít právě pro měření pH. Intrinsická luminiscence analytu nebo luminiscence vhodného optického transduceru mohou být použity k detekci na 8

principu luminiscenční spektroskopie. Tohoto efektu se obvykle využívá ve viditelné oblasti spektra. Molekuly analytu (nebo převodníku) vyzařují na charakteristické vlnové délce po absorbování budícího světla. Vyzařování se nazývá fluorescence nebo fosforescence v případě, že je analyt buzen interakcí se světlem; pokud je analyt buzen chemickými reakcemi, je tento jev zvaný chemiluminiscence[10]. Senzory fungující na principu vyzařování černého tělesa se používají při měření teploty v kombinaci s detektory a s úzkopásmovými filtry, podobně jako je to na Obr. 6. Objekt ohřívá dutinku, jejíž vnitřní stěny jsou černé a fungují tedy jako černé těleso, které se zvyšující teplotou mění vyzařované spektrum. Vystupující záření z optického vlákna je kolimováno do děliče paprsku. Protože s narůstající teplotou dutinky se spektrum přesouvá ke kratším vlnovým délkám, klesá i intenzita záření jdoucí do jednoho z detektorů přes úzkopásmový filtr. Poměrem těchto dvou intenzit získáme informaci o teplotě v místě dutinky s přesností až 7,5x10-6°C. Přesnost těchto senzorů klesá s teplotou a přibližně kolem 200°C se již signál ztrácí v šumu[12].

Obr. 6: Konfigurace systému pro měření teploty na principu vyzařování černého tělesa[12]

Fluorescenční vláknové senzory jsou široce používány pro lékařské aplikace, ale i při chemických a fyzikálních měřeních jako je měření teploty, viskozity nebo vlhkosti. Pro tyto senzory se používají různé konfigurace. Dvě z nejčastějších z nich jsou uvedeny na Obr. 7. Fluorescenční materiál je umístěn zpravidla v sol-gelu. Pokud se fluorescenční materiál ozáří, část tohoto záření absorbuje a následně ji vyzáří na charakteristických vlnových délkách. 9

Vyzařované spektrum je teplotně závislé, čehož se využívá právě pro měření teploty. Výsledný fluorescenční signál je zachycován stejným vláknem, kterým se šířilo budící záření. Vyhodnocovací systém pro bodový senzor měřící teplotu vypadá podobně jako na Obr. 6. Na obrázku schází jen zdroj záření a filtry v oblasti za děličem paprsku, protože se teplota opět získává poměrem intenzit z rozděleného paprsku, respektive z poměru intenzit na dvou specifických vlnových délkách. Senzor se používá v rozmezí od -50°C do 250°C, s přesností 0.1°C[11].

Obr. 7: Snímací oblasti fluorescenčních senzorů, reflexní (nahoře) a transmisní (dole) konfigurace[6]

Kromě sledování poměru intenzit se při měřeních využívajících fluorescenci sleduje i časový vývoj intenzity emitovaného světla. Díky pulznímu buzení můžeme sledovat slábnutí fluorescentního signálu a právě slábnutí emise fluorescentního materiálu je teplotně závislé, čehož se využívá pro přesné měření teploty. Na stejném principu funguje i senzor na měření parciálního tlaku kyslíku, který využívá závislost doby poklesu intenzity fluorescence některých materiálů na parciálním tlaku kyslíku v okolí senzoru. Velkou výhodou tohoto senzoru je skutečnost, že se kyslík během měření nespotřebovává, což konvenční systémy dělají a dále že existuje celá řada různých provedení pro různá prostředí. V neposlední řadě lze měřit parciální tlak kyslíku jak v plynné fázi, tak také v případě, že je rozpuštěn v kapalině. Nejpoužívanější spektroskopické senzory ale využívají Braggovu mřížku. Používají se zejména kvůli závislosti Braggovy vlnové délky na mechanickém napětí vlákna a na teplotě. Proto pokud chceme měřit jen teplotu nebo napětí nebo jinou veličinu nezatíženou vlivem těchto dvou, je třeba kompenzovat vlivy ostatních nežádoucích veličin. Tedy pokud bychom 10

měli optické vlákno podél budovy pro měření mechanické deformace, je třeba kompenzovat teplotní drift druhým vláknem s referenčním signálem, které není vystaveno mechanickému pnutí. Pokud bychom Braggovu mřížku využívali k měření jiné veličiny, teplotní drift by se mohl kompenzovat například napojením vlákna na prvek, který by s narůstající teplotou vlákno natahoval a tím by působil proti změně Braggovy vlnové délky. Braggových mřížek se využívá pro konstrukci distribuovaných senzorů. Díky vhodně zvoleným periodám jednotlivých mřížek a vzdálenostem mezi mřížkami se navzájem neovlivňují výsledky snímání každé z nich a dají se snadno demultiplexovat ať už v časové, nebo frekvenční doméně. Obdobně se využívá mřížek s dlouhou periodou. Tento druh senzorů je hojně využíván ve stavebnictví (budovy, mosty), kde je třeba monitorovat namáhání prvků ať už v průběhu stavby nebo po jejím dokončení. K jevu zvanému rezonance povrchového plazmonu dochází na rozhraní dielektrika a kovu, kdy jsou zářením vybuzeny kmity povrchových elektronů kovu. K vedení záření se používá buď optický hranol, nebo právě optické vlákno. V místě snímání je nanesena vrstva kovu (zlata, stříbra) a na ní je snímaná dielektrická vrstva, jak je vidět na Obr. 8.

Obr. 8: Optické vlákno se senzorem na bázi rezonance povrchového plazmonu(PPV - povrchová plazmonová vlna) [13]

Na rozhraní optického vlnovodu a kovu musí záření dopadat pod správným úhlem a navíc se správnou polarizací, aby došlo ke vzniku evanescentní vlny, která reaguje s elektrony vázanými na rozhraní mezi vodičem a izolantem. Protože má evanescentní vlna velice krátký dosah, musí být vrstva kovu velice tenká, typicky v řádu desítek nanometrů[13]. Rezonanční parametr (vlnová délka záření) závisí na indexu lomu dielektrického analytu. Změna indexu lomu tedy mění hodnotu rezonanční vlnové délky. Využívá se toho například ke zjišťování 11

přítomnosti biomolekul. Na kov je navázán ligand, na který se váže zkoumaná biomolekula. Jestliže je na povrch senzoru navázána biomolekula, dojde ke změně indexu lomu tohoto prostředí a měřením změny vlnové délky, při níž dochází ke vzniku povrchové plazmonové rezonance, lze vazbu této látky detekovat. Ve spektru záření, které na konci vlákna detekujeme, se to projeví posunem tlumené vlnové délky. Podle velikosti změny tlumené vlnové délky je možné získat představu i o množství navázaných molekul a tedy i jejich koncentraci. Distribuované senzory teploty, mechanického napětí nebo distribuovaný akustický senzor jsou dalšími typy optovláknových senzorů fungujících na pozorování změny spektra záření. Měří se pomocí metody OTDR (optical time-domain reflectometry), která je založena na Rayleighově rozptylu, při kterém se část vyslaného impulzu průchodem vlákna odráží zpět k vysílači. Vysílač tedy současně funguje i jako detektor a elektronicky vyhodnocuje přijatý signál. Díky obecně známé rychlosti šíření světelného pulzu se z času přijetí signálu snadno získá poloha ve vlákně, kde odraz vznikl. Typické spektrum odraženého pulzu, které je na Obr. 9, obsahuje Rayleighovy, Brillouinovy a Ramanovy složky, kterých se využívá při vyhodnocování teploty, mechanického napětí a akustické intenzity podél vlákna. Rayleighova

Obr. 9: Spektrum odraženého signálu[32]

složka má stejnou vlnovou délku jako původní pulz, není závislá na teplotě a je nejsilnější a má tedy nejvyšší podíl v křivce profilu útlumu vlákna. Brillouinovy složky vznikají na vibracích mřížky kvůli šířícímu se záření. Jsou velice blízko Rayleighově složce, se kterou často splývají. Ramanovy složky jsou způsobeny tepelnými vibracemi molekul. Proto je jejich 12

intenzita závislá na teplotě. Pro měření teploty se zpracovává poměr silně teplotně závislé Anti-Stokesovy špičky Ramanovy složky spektra a teplotně nezávislé Stokesovy špičky Ramanovy složky spektra. Touto metodou lze měřit teplotní profil podél celého vlákna. 3.1.3. Optovláknové senzory založené na měření změny fáze Kromě metod detekce založených na sledování změny intenzity a spektra záření jsou využívány také detekční postupy založené na sledování změn fáze záření. V takovém případě se fázový posun (zpoždění), způsobený detekovaným jevem nebo látkou, určuje porovnáním světla vedeného přes měřící a referenční kanál. Konfigurace takového měření je na Obr. 10, která je obecně známá jako Mach-Zehnderův interferometr. Podobnou konfiguraci, využívající ale zalomená vlákna se zrcadly a jen jeden dělič paprsku, má Michelsonův interferometr. Protože v Michelsonově interferometru signál detekční oblastí prochází dvakrát, dosahuje lepší citlivosti. Nevýhodou je ale potřeba dokonale odrazivých zrcadel. Vzhledem k tomu, že je fázový posun vyhodnocován interferometrem, je tato metoda obvykle nazývána interferometrie. Fázový posun se měří z interferenčního obrazce, který je snímán například pomocí CCD čipu a následně elektronicky vyhodnocen.

Obr. 10: Konfigurace systému pro interferometrickou detekci - diagram Mach-Zehnderova interferometru

13

Další běžné optovláknové fázové senzory fungují na Fabry-Pérotově principu. FabryPérotův interferometr se skládá ze dvou paralelních částečně propustných zrcadel. Ve vlákně se vytvoří stojaté vlnění a vzniká interference mezi zářením odraženým od prvního a zářením odraženým od druhého zrcadla. Výsledný fázový rozdíl je pak zaznamenán detektorem, kde se projeví změnou ve spektru záření. Maximální a minimální vrcholy modulovaného spektra znamenají, že na konkrétní vlnové délce jsou obě záření ve fázi, respektive v protifázi. U optických vláken rozlišujeme extrinsický a intrinsický typ Fabry-Pérotova interferometru[14]. První zmíněný je na Obr. 11a a obsahuje uzavřenou dutinku mezi zrcadly, která může být naplněná vzduchem, nebo jiným médiem. Ve druhém případě vlákno obsahuje dvě tenké odrazivé vrstvy. Dutina může být opět i na konci vlákna. Tento druh senzoru se aplikuje zejména na měření fyzikálních veličin jako je tlak, teplota, mechanické napětí, atp.

Obr. 11: Fabry-Pérotův interferometr a) extrinsický b) intrinsický[6]

Optovláknové fázové senzory široce využívané v optických gyroskopech pracují na principu Sagnacova interferometru (Obr. 12), který vede svazky záření proti sobě na stejné optické dráze. Pokud je prostředím tvořícím dráhu interferometru otáčeno určitou rychlostí, je díky relativistickému skládání rychlostí různá rychlost šíření svazků ve směru a v protisměru otáčení. Výsledkem je detekovatelný fázový posuv na výstupu z interferometru. V optickém vláknovém gyroskopu bývá optická dráha Sagnacova interferometru realizována pomocí optického vlákna navinutého ve tvaru cívky. Úhlová rychlost rotace cívky ω se pak dá z detekovaného fázového posuvu φ snadno dopočítat dle vztahu 3.1, 𝜔=

𝜑𝑐𝜆 4𝜋𝑟𝐿

(3.1)

kde L je celková délka navinutého vlákna, r je poloměr cívky, c je rychlost světla ve vakuu a λ je vlnová délka laserového záření. Na rozdíl od mechanických gyroskopů, založených na setrvačných vlastnostech hmoty, jsou zde vyloučeny vlivy setrvačnosti a tření. Optické gyroskopy mají vyšší odolnost ke změnám teploty, zrychlení, vibracím a mají nižší 14

energetické nároky na provoz, hmotnost i rozměry. Optický gyroskop má také nižší dobu uvedení do provozu a vyšší spolehlivost a životnost. Díky necitlivosti na gravitační zrychlení jsou optické gyroskopy využívány zejména v raketové a kosmické technice[15].

Obr. 12: Sagnacův interferometr

3.1.4. Optovláknové senzory založené na měření změny polarizace Poslední vlastností záření, která se využívá pro snímání, je polarizace. Polarizace elektromagnetického záření má dvě vektorové složky. Vektor elektrické intenzity záření je kolmý na vektor magnetické indukce a oba leží v rovině kolmé na směr šíření. Vektor intenzity elektrického pole má ale v dané rovině nahodilý směr, který se neustále mění. Omezíme-li směr pohybu vektoru, získáme polarizované světlo. Přitom rozdíl mezi polarizovaným a nepolarizovaným světlem nepoznáme okem[16]. Světlo je obecně nepolarizované a lze přeměnit na světlo polarizované několika způsoby: polarizací odrazem a lomem, polarizací dvojlomem nebo průchodem polarizačním filtrem. Vedle lineární polarizace existuje ještě kruhová a eliptická polarizace. U lineárně polarizovaného světla se vektor intenzity elektrického pole pohybuje jen na přímce. U kruhové a eliptické vektor opisuje daný tvar. Pro snímací prvky jsou využity speciální typy vláken s velkým nebo malým dvojlomem1, případně vlákno opět slouží jen jako prvek pro vedení záření do polarizačního 1

stav vlákna, kdy v osách kolmých na směr šíření vykazuje vlákno různé indexy lomu

15

modulátoru. Polarizace světla, procházejícího optickým prostředím, se může měnit vlivem různých fyzikálních veličin (magnetického pole, tlaku, elektrického pole atp.)[17], čehož se využívá právě pro měření těchto veličin. U senzorů s indukovaným dvojlomem je k tomu využit fotoelastický jev, kdy se působením tlaku nebo napětí mění dvojlom vlákna. Pro polarimetrické snímání se v tomto ohledu používá jednotná struktura, kdy je optické vlákno namotáno do cívky na magnetostrikční, piezoelektrický nebo jinak citlivý válec, který slouží jako převodník měřené veličiny na tlak působící na namotané vlákno. Nevýhodou je, že optický materiál snímače je mechanicky namáhán, čímž vznikají požadavky na jeho mechanické vlastnosti. Druhou skupinou polarizačních optovláknových senzorů jsou senzory s modulací otočení roviny polarizace. Typickým představitelem je senzor využívající Faradayův jev2, jako je na Obr. 13. Na vstupu senzoru je světlo lineárně polarizované a na výstupu je opět lineárně polarizované, ale s otočenou rovinou polarizace. Poté záření projde přes polarizační filtr, který propustí jen tu část výkonu záření, která je v původní rovině polarizace. Tedy ve výsledku se opět vyhodnocuje intenzita prošlého záření. Tyto senzory se hojně využívají ke sledování transformátorů a obecně tam, kde je potřeba měřit elektrický proud při vysokém a velmi vysokém napětí.

Obr. 13: Senzor s modulací otočení roviny polarizace - vlivem Faradayova jevu se v závislosti na velikosti procházejícího proudu otočí rovina polarizace světla, která je následně elektronicky vyhodnocena[17].

2

otočení roviny polarizace vlivem působení magnetického pole

16

3.2. Měření pH V oblasti průmyslu, medicíny a životního prostředí se v dnešní době neobejdou bez přesného měření pH. Soustavné sledování pH je důležité od výroby potravin, přes čištění vody až po monitorování prostředí v nukleárním reaktoru. Velice přesné měření je pak třeba obzvláště v medicíně, kde se malé změny v pH krve projeví dramatickou změnou zdravotního stavu. Právě kvůli nepříznivým podmínkám panujícím v měřených prostředích jsou kladeny vysoké nároky na senzory, zejména pak po stránce chemické stability. 3.2.1. Veličina pH Zkratka pH je od latinského spojení "pondus hydrogenia", což znamená potenciál vodíku. Hodnota pH je definována jako záporný dekadický logaritmus aktivity oxoniových kationtů ve vodném roztoku. Avšak ve zředěných roztocích se aktivita a(H3O+) dá aproximovat koncentrací [H3O+], protože aktivní koeficient f je roven přibližně jedné. Vodíkový kationt je velice reaktivní a téměř okamžitě se navazuje na molekulu vody, čímž vytváří hydratovaný vodíkový kationt, resp. např. oxoniový kationt H3O+. Z praktického hlediska a z důvodů lepší přehlednosti zápisů chemických rovnic se místo H3O+ vžilo označení H+ jako v rovnici 3.2. 𝑝𝐻 = − log 𝑎 𝐻 +

≈ − log 𝑓𝐻 + ∙ [𝐻 +]

(3.2)

pH nabývá hodnot od 0 do 14. Chemicky čistá voda má pH = 7, kyseliny mají pH < 7 a zásady pH > 7. Ve vodném roztoku je vždy kromě molekul H2O také určité množství oxoniových kationtů H3O+ a hydroxylových aniontů OH-, kvůli neustále probíhající autoprotolýze H2O. Součin koncentrací obou těchto iontů je ve vodných roztocích vždy konstantní, je označován jako iontový součin vody a nabývá hodnoty 10-14. Protože pH stupnice je odvozena od iontového součinu vody, platí tato teorie jen pro vodné roztoky v koncentracích 100 a nižší. 3.2.2. Potenciometrické měření pH Kromě přibližného vizuálního měření pH pomocí lakmusu a dalších acidobazických indikátorů, se nejvíce využívá potenciometrického měření pH. Potenciometrie je založena na měření napětí galvanického článku tvořeného dvěma elektrodami ponořenými do vhodného roztoku. Kde jedna elektroda je měrná (potenciál ovlivněn iontovou koncentrací v roztoku) a druhá referenční (konstantní potenciál). Rozdíl potenciálů těchto dvou elektrod se měří tzv. bezproudovým způsobem, tedy že vstupní odpor voltmetru použitého k tomuto měření musí 17

být velmi vysoký (u prakticky používaných přístrojů je zpravidla větší než 1013Ω). V případě většího odběru proudu by totiž došlo k polarizaci elektrod a velkému zkreslení měřeného napětí. Hodnota odebíraného proudu je řádově 10-15A. Skleněná elektroda je nejstarší a dodnes nejčastěji užívanou měrnou elektrodou. Její membrána je tvořena baničkou ze speciálního skla. Do křemičité struktury tohoto skla jsou vneseny tzv. poruchy, které tvoří atomy sodíku. Tyto atomy se v roztoku potom vyměňují za H+ ionty, což je umožněno mimo jiné i schopností tohoto skla se hydratovat. Samozřejmě výměnou sodíku za H+ dochází ke změně potenciálu. Ve vnitřním prostředí elektrody je tlumivý roztok o stabilním pH, který udržuje potenciál na vnitřní straně baničky konstantní[23]. 3.2.3. Metody měření pH optovláknovými senzory Optovláknové pH senzory jsou v porovnání s klasickými potenciometrickými senzory vhodnější pro využití v určitých oblastech lidské činnosti. Právě díky jejich rozměrům, vysoké odolnosti vůči elektrickému a elektromagnetickému rušení, biokompatibilitě a chemické stálosti lze předpokládat jejich rostoucí uplatnění v biomedicíně, například pro monitorování pH krve nebo pro sledování pH plodu. Bohužel optovláknové senzory zpravidla neobsáhnou celý rozsah pH stupnice. Metod k měření pH pomocí optických vláken není mnoho, protože se nejčastěji využívají acidobazické indikátory nebo fluorescentní látky umístěné v polymeru nebo křemičitém sol-gelu naneseném na vlákno. Ve srovnání s organickými polymery, má sol-gel celou řadu výhod: vysokou chemickou, fotochemickou a teplotní stabilitu, optickou průhlednost a kompatibilitu s různými indikátory pH. Nicméně výrazným nedostatkem je únik vázané látky, což vede k rychlému opotřebení senzoru. pH indikátor je zpravidla látka reagující na pH okolí změnou konfigurace na molekulární úrovni, vede ke změně indexu lomu a většinou i k změně absorpčního a emisního spektra. Příklady acidobazických indikátorů jsou v Tab. 1. Název methyloranž bromkresolová zeleň fenolová červeň fenolftalein thymolftalein

Funkční oblasti indikátorů 3,1–4,5 3,8–5,4 6,8–8,4 8,2–10 9,3–10,5

Barva červená – žlutá žluté - modré žlutá – červená bezbarvá – červená bezbarvá – modrá

Tab. 1: Vybrané acidobazické indikátory - ve funkčním rozsahu pH dochází ke změně jejich barvy

18

Je důležité si uvědomit, že elektrochemické a optické určení pH funguje na trochu jiném principu. Potenciometrické měření sleduje přímo aktivitu H3O+ iontů ve vodném roztoku, avšak optická metoda sleduje koncentraci kyselých a zásaditých složek indikátoru. Optická měření pH tedy spoléhají spíše na Henderson-Hasselbalchovu rovnici 3.3

𝑝𝐻 = 𝑝𝐾𝑎 + 𝑙𝑜𝑔

𝐴𝑐−1 𝑓𝐴𝑐−1 + 𝑙𝑜𝑔 𝑐 𝐻𝐴 𝑓𝐻𝐴 𝑐

(3.3)

kde pKa je negativní logaritmus disociační konstanty kyseliny Ka, [𝐴𝑐−1 ], [ 𝐻𝐴𝑐 ], 𝑓𝐴𝑐−1 a 𝑓𝐻𝐴𝑐 jsou koncentrace a aktivní koeficienty zásadité a kyselé složky acidobazického indikátoru. Absorpční senzory jsou jednoduché a snadno ovladatelné, ale vyžadují použití vysoké koncentrace indikátoru pH a / nebo silné snímací vrstvy. Většina publikací zabývajících se absorpčními pH senzory je variací různých sol-gelových substrátů a v nich zachycených acidobazických indikátorů. Důležité je však i vyhodnocování záření přicházejícího ze senzoru. Jeon a kol. využili pro senzor neutrální červeně uchycené v křemičitém sol-gelu. Solgel byl poté umístěn na polyetylenový substrát a vložen mezi vlákno a zrcadlo. Dvě špičky absorpčního spektra senzoru se měnili v závislosti na okolním pH a jejich poměrem bylo po kalibraci určováno pH[27]. Kromě acidobazických absorpčních indikátorů (např. v Tab. 3) se využívají i sloučeniny výrazně specifičtější. Příkladem může být senzor pro snímání pH krve, využívající indikátorovou sloučeninu 5-91(C29H15ClK3N9O14S3), které se mění index lomu na vlnové délce kolem 630nm v okolí neutrálního pH = 7 téměř lineárně. R.Wolthuis a kol. použili k navázání indikátoru na konec vlákna chemicky ošetřené celofánové fólie a použitím červené LED diody s reflexní konfigurací senzoru byli schopni měřit pH v rozsahu 6,8 - 7,8 s rozlišením 0,01 pH[24]. Fluorescenční pH indikátory poskytují větší selektivitu a senzitivitu, než absorpční indikátory. Nejrozšířenějšími jsou 8-hydroxypyren-1,3,6-trisulfonová kyselina (HPTS, pH přechod 5 až 8), 4-methylumbelliferon, fluorescein a jejich deriváty. Tyto látky většinou absorbují záření ve viditelné oblasti spektra odpovídající modré barvě a emisní záření se vyskytuje nad 500nm. I. Kašík a kol. použili modifikovanou sůl kyseliny HPTS, uchycenou v sol-gelu na zúženém konci jednovidového vlákna (průměr konce sondy byl 18μm) ke zjištění pH v buňce. K buzení využívali zdrojů na vlnových délkách 415nm a 450nm. Vyhodnocení probíhalo porovnáváním poměru výkonů přijatého emisního záření na vlnové délce 515nm od obou buzení a pH. Touto metodou byli schopni detekovat pH v rozsahu od 5 do 7.8 s rozlišením 0,15 pH a mezi hodnotami 5,9 a 7,1 dokonce s rozlišením 19

0,04 pH[25]. Vícebodové měření pH zkoušeli pánové C. Saunders a P.J. Scully za použití plastového vlákna a metody OTDR. Vlákno o délce 20m v několika úsecích zbavili pláště. Tyto úseky pak ponořili do vodných roztoků s příměsí methylové červeně a na vlnové délce 650m pozorovali nelineární růst absorpce v kyselejším prostředí[26]. Další metody využívají principu tvorby elektrické dvojvrstvy na rozhraní roztoku a nabitého povrchu tělesa. Když je totiž křemen ve vodném roztoku, H+ a OH- ionty a H2O reagují s povrchem a vytvářejí elektrickou dvojvrstvu. Náboj na povrchu tedy přímo závisí na složení roztoku. Bylo zjištěno, že pro pH nižší než 2, což je bod nulového náboje, je vrstva blíže vláknu z oxidu křemičitého protonizována a pro pH vyšší než 2 je naopak negativní a začíná slabě přitahovat kationty v roztoku. Znamená to, že index lomu okolí se mění v pH i bez indikátorů. Avšak protože samotný jev je velice slabý, využívá se látek, které tento jev zesílí - jmenovitě křemičitý sol-gel tetraethoxysilan (TEOS) [28] nebo například methylenová modř[29, 30]. K měření se využívají zúžená vlákna, nebo vlákna s mřížkou, protože se snímá pomocí evanescentní vlny.

Obr. 14: Chemická struktura a) oxidované a b) redukované formy methylenové modři

3.2.3.1.

Methylenová modř

Je to heterocyklická aromatická sloučenina se vzorcem C16H18N3SCl a její chemická struktura je na Obr. 14a. Při pokojové teplotě se jedná o tmavě zelený prášek bez zápachu, 20

který s vodou tvoří modrý roztok. Hydratovaná forma na sebe váže 3 molekuly vody. Má mnoho využití v biologii, chemii, ale i v medicíně. Používá se jako barvivo v bakteriologii, jako oxidačně-redukční indikátor nebo také jako veterinární antiseptikum a antiparazitní léčivo v akvaristice. V medicíně se využívá například jako součást léčiv močových cest a může být použita jako protijed ke kyanidu. V normální oxidované formě má methylenová modř iontovou strukturu a má neutrální náboj. V kyselých vodných roztocích však dochází k redukci molekul methylenové modři a navázání vodíkového kationtu, čímž se změní barva z modré na bezbarvou. V kyselých prostředích je tedy bezbarvá a se snižující se koncentrací H+ se stává modřejší díky vyrovnávání

oxidačních

a

redukčních

dějů.

Zpětná

oxidace

probíhá

navázáním

hydroxylových skupin. Chromofor methylenové modři má pozitivní náboj, který je přitahován k negativně nabitému povrchu vlákna v roztoku o vysokém pH. S klesajícím pH klesá i počet chromoforů, které se udrží v těsné blízkosti vlákna a tím se mění index lomu v oblasti snímání. Koncentrace methylenové modři tedy hraje značnou roli při snímání pH pomocí této látky. Na Obr. 15 jsou změny v propustnosti pro roztoky s rozdílným pH při rostoucí koncentraci methylenové modři[30].

Obr. 15: Změny v přenosu záření v závislosti na koncentraci methylenové modři a pH[30]

3.3. Metody úprav optického vlákna Za dobu existence optických vláken na nich byly prováděny nejrůznější úpravy, jejichž snahou bylo získání speciálních vlastností pro upravované vlákno. Za tímto účelem

21

bývají vlákna pokrývána speciální vrstvou opto-chemického převodníku či kovu (pro vznik tzv. plazmonové resonance), je do nich vepsána mřížka, případně jsou zúžena (taperována), čímž je posílena evanescentní vlna[8]. 3.3.1. Vláknové mřížky - FBG (fiber Bragg gratings) Vláknové mřížky jsou pro své spektrální vlastnosti stále častěji používanými optickými prvky v telekomunikačních systémech a vláknových senzorech. Mřížka je tvořena periodickými změnami indexu lomu jádra vlákna. Vláknová mřížka samotná funguje jako optický filtr. Vstupující optická vlna je odražena, pokud se její vlnová délka blíží Braggově rezonanční vlnové délce, v opačném případě mřížkou prochází, i když je nepatrně utlumena rozptylem na rozhraní změn indexu lomu. Vztah mezi Braggovou centrální vlnovou délkou a periodou mřížky uvádí [3] jako 𝜆𝐵𝑟𝑎𝑔𝑔 = 2𝑛𝑒𝑓𝑓 Λ

(3.4)

kde λBragg je Braggova centrální vlnová délka, Λ je perioda mřížky a neff je efektivní vidový index (hodnota je dána rozměry a indexy lomu jádra a pláště vlákna). Jak již bylo řečeno, mřížka je ve vlákně tvořena změnou indexu lomu jádra vlákna. Vytvoření této změny indexu lomu je možné dosáhnout osvitem vlákna s fotocitlivým jádrem přes masku. Pro tyto účely se vlákna dotují bórem a germaniem, které po osvícení laserem způsobí změnu v krystalické mřížce a tím se v daném místě změní i index lomu. Základním typem mřížky je uniformní vláknová mřížka (Obr. 16). To znamená, že v rámci celé mřížky se perioda mřížky Λ a změny indexu lomu n, které jsou kolmé na k ose vlákna, nemění. Z technologie výroby vyplývá, že profil indexu lomu bude blízký sinusovému průběhu dle [3] 𝑛 𝑧 = 𝑛0 + Δ𝑛 𝑐𝑜𝑠

2𝜋𝑧 Λ

(3.5)

kde n je maximální změna indexu lomu (typicky 10-5 - 10-3) a z je vzdálenost podél osy vlákna. Efektivní index lomu a perioda změn je ovlivňována změnami pnutí a teploty. Změnou pnutí a teploty lze měnit periodu změn indexu lomů, díky čemuž se bude měnit i centrální braggovská vlnová délka. Mřížky dosahují závislostí 1,2pm/µɛ a 10pm/°C[3].

22

Obr. 16: Uniformní vláknová mřížka s konstantními velikostmi a vzdálenostmi změn indexu lomu. Současně je na obrázku i ilustrace vstupujícího, propuštěného a odraženého signálu[3].

Pro určité účely (kompenzace chromatické disperze, úzkopásmové filtry, atd.) je však zapotřebí vytvořit pokročilejší typy vláknových mřížek. Pokud např. budeme měnit periodu mřížky (vzdálenost mezi změnami indexu lomu), docílíme toho, že každá vlnová délka se bude odrážet v jiném místě mřížky a tím bude vznikat časové zpoždění v šíření jednotlivých složek světla. Toho se využívá při kompenzaci chromatické disperze v telekomunikacích. Mřížka s proměnnou periodou se potom nazývá chirpovaná mřížka. Nejjednodušší typ mřížek je takový, kde se perioda změn indexu lomu mění lineárně. Dalším typem mřížky je apodizovaná mřížka, u které se mění změna indexu lomu. Takové mřížky se s výhodou používají jako optické filtry, protože apodizací dochází k výraznému potlačení postranních pásem[3]. Profil apodizace se nejčastěji používá Gaussovský, ale pro různé účely může být i jiný. Apodizací dochází ke změně efektivního vidového indexu uvnitř mřížky. Oba typy mřížek se mohou i kombinovat. Typicky se vláknové mřížky vyrábějí ve srovnatelných rozměrech s Braggovou vlnovou délkou, ale využívají se i mřížky s „dlouhou periodou“(LPG - long-period fiber grating). Jejich perioda se obvykle pohybuje v řádu 100m - 1mm, což kromě tvorby speciálních senzorů vede i ke snazší výrobě. Kromě zmíněného osvícení laserem je možné tyto mřížky vyrobit i pomocí metody posunu vlákna skrz výbojový aparát[4]. Pro využití v telekomunikacích se nabízí nastavitelný filtr, který využívá princip právě LPG a tekutých krystalů, nanesených v okolí vlákna. Změnou teploty, elektrickým polem nebo osvitem lze měnit konformaci krystalů a tím index lomu okolí vlákna. Tím se ale změní efektivní index lomu a dojde ke změně blokované vlnové délky[11]. Mřížka s dlouhou periodou zesiluje 23

vazbu mezi vidy šířícími se jádrem a těmi v plášti. Vysoký útlum vidů šířících se pláštěm se projevuje oblastmi útlumu v přenosovém spektru na diskrétních vlnových délkách. Každé utlumené pásmo odpovídá vazbě na jiný vid pláště. Spektrum takovéto mřížky, tedy centrální vlnové délky jednotlivých utlumených pásem a jejich rozložení, je ovlivněno kromě periody a délky mřížky také okolními podmínkami, zejména teplotou, prohnutím vlákna a jeho natažením a indexem lomu okolního prostředí. Právě změny spektra v závislosti na změně okolních podmínek je využito v senzorech využívajících mřížku s dlouhou periodou. 3.3.2. Zúžená optická vlákna Další metodou, která se využívá k posílení vlastností optických vláken, je zužování vlákna, neboli tapering. Příklad podélné struktury zúženého optického vlákna je na Obr. 17. Červená oblast L1 je tvořena původním vláknem. Přechody, tedy zelené oblasti s měnícím se průměrem, jsou označené jako L2 a modrá oblast L3 je tzv. pas s konstantním průměrem, tvořící centrální oblast zúženého vlákna.

Obr. 17: Symetrická struktura zúženého optického vlákna, l1 - původní optické vlákno l2 - oblast přechodu l3 - pas

Průměr pasu zúženého optického vlákna závisí na aplikaci, ale většinou se pohybuje v rozmezí několika jednotek až desítek mikrometrů. Podobné je to i pro délku pasu zúženého optického vlákna, která se pohybuje v rozmezí několika milimetrů až metrů. Světlo se v takto zúženém vlákně již přestane šířit jen jádrem, ale výrazně se vyváže i do pláště (Obr. 18). Tato situace vede k tomu, že zúžené vlákno funguje jako filtr, protože ačkoliv nezúžená část vlákna vede vidy vyššího řádu dobře, zúžená část je vede špatně nebo vůbec (podobně jako když vlákno deformujeme). Kolik světla opustí vlákno v pasu, závisí na indexu lomu okolí. Na vzduchu jsou však ztráty po průchodu zúžené oblasti minimální, díky velkému rozdílu indexů lomu pláště a okolí. Na konci zúžené oblasti se děje přesný opak a světlo se opět ve větší míře 24

šíří jen jádrem. Vedení světla pláštěm umožňuje interakci záření s okolním prostředím přes evanescentní vlnu. Čím větší je překryv evanescentní vlny s okolím, tím vyšší je citlivost detekce. Zúžená optická vlákna tak mohou být využita jako velmi citlivé evanescentní chemické nebo biochemické senzory. U zúžení hraje svou roli i profil přechodů, který ovlivňuje následné vyvazování a zpětné navázání záření do jádra. Můžeme uvažovat profil lineární, parabolický, sinusový nebo exponenciální. R. K. Verma a A. K. Sharma zjistili, že u senzoru, využívajícího povrchovou plazmonovou rezonanci, by nejvyšší senzitivitu zajišťovalo zúžené optické vlákno s přechody ve tvaru exponenciály[5].

Obr. 18: Intenzita záření vedeného zúženým jednovidovým optickým vláknem[5]

3.3.2.1.

Výroba zúženého optického vlákna

Zúžená optická vlákna vhodná pro senzorové aplikace je možno vyrobit nejen z telekomunikačních vláken, ale i ze speciálních vláken, včetně vláken mikrostrukturních. Existuje několik způsobů, jak se dá optické vlákno zúžit. Zúžená vlákna se vyrábějí sofistikovanými způsoby využívající např. CO2 laseru, elektrického oblouku nebo řízeného zužování vlákna s regulovaným plynovým hořákem. Dají se ale vyrobit i přesným mechanickým odstraněním nebo odleptáním části vlákna. Takto se může odstranit plášť v určité oblasti kolem celého jádra nebo třeba jen z jedné strany. Odstranění pláště ale vede k radikálním změnám schopnosti vlákna vést záření.

25

Obr. 19: Sestava určená pro přípravu zúžených optických vláken[34]

Nejrozšířenějším způsobem zúžení optických vláken je tedy rozehřátí části vlákna pomocí regulovatelného hořáku a současné natahování vlákna počítačem ovládanými držáky, v nichž je vlákno upevněno (Obr. 19). Vlákno musí být natahováno řádově rychlostí jednoho milimetru za sekundu a stejnou rychlostí po celý průběh zužování, aby nedocházelo k jeho přetrhnutí. Tato metoda zužuje jádro i plášť vlákna rovnoměrným způsobem, takže ačkoliv průměr vlákna klesne, poměr mezi jádrem a pláštěm se nezmění. Využíváním prvků regulovaných počítačem má tato metoda vysokou reprodukovatelnost. Pro senzorové aplikace je možné využít nejen zúžených optických vláken se strukturou uvedenou na Obr. 17, protože zalomením zúženého optického vlákna v oblasti pasu získáme optickou vláknovou sondu. 3.3.2.2.

Přelévání módů v jednovidovém taperovaném vlákně

U nezúženého jednovidového vlákna je veškeré světlo vedeno jádrem důsledkem totálního odrazu. Toto světlo se šíří základním módem HE11, který je současně jediným vedeným módem jednovidového vlákna. Nicméně v oblasti přechodu dochází k zmenšení jádra pod vlnovou délku záření a v důsledku zahřátí ke ztrátě jeho jasné hranice s pláštěm, což z pasu dělá oblast, jejíž index lomu je velmi blízký indexu lomu pláště. Tato oblast s okrajovým rozhraním vzduch-plášť lze považovat za nové jádro, které má větší poloměr než původní jednovidové vlákno v nezúžené části. Současně má i větší numerickou aperturu vzhledem k většímu rozdílu indexu lomu mezi pláštěm a vzduchem. Podle rovnice 1.2 tato oblast funguje jako vícevidové vlákno, které podporuje kromě základního i další módy. Na přechod je obecně nahlíženo podle výroby jako na adiabatický, nebo neadiabatický. Rozdíl je v jejich vlivu na přelévání módů. U adiabatického je základní mód HE11 přenášen s 99,5% efektivností a energie vedená ve vyšších módech je zanedbatelná[21]. U neadiabatického 26

přechodu mohou být vyvolány vyšší módy s větší částí přenášené energie, ale pokud je brán ohled na normalizovanou frekvenci, tak jsou HE11 a HE12 nejvýznamnější. Jak již bylo zmíněno, v druhém přechodu se vyšší módy opět přelévají do módu základního, avšak protože se každý z nich šířil vláknem různou rychlostí, došlo k fázovému posuvu mezi módy, což se může projevit úbytkem energie. Z tohoto hlediska je zejména u jednovidových zúžených vláken nutné důkladně kontrolovat délku pasu, aby v důsledku fázového rozdílu nedocházelo k úbytku energie. 3.3.2.3.

Šíření paprsku v zúženém vlákně s postupnou změnou indexu lomu

Pro přibližný odhad chování struktury, která je součástí optického vlákna, se využívá diferenciálních rovnic popisujících šíření paprsku v optickém vlákně. Většinou je situace značně zjednodušena zanedbáním některých jevů, například ztráty se uvažují jen v případě odrazů na rozhraní a počty paprsků ve vícevidovém dosahují jen několika tisíc. V této části bude ukázána metoda zabývající se numerickým řešením eikonálové rovnice v zúžených vláknech s postupnou změnou indexu lomu, jak byla uvedena v [35]. Cesta paprsku v prostředí s měnícím se indexem lomu je křivka vycházející z eikonálové rovnice [35] 𝑑 𝑑𝒓 𝑛(𝒓) = ∇𝑛(𝒓) 𝑑𝑠 𝑑𝑠

(3.6)

kde r je polohový vektor bodů na křivce, s je parametr vzdálenosti od bodu r0(polohový vektor paprsku na začátku jeho trajektorie) na křivce, n(r) je indexu lomu jako funkce polohy v prostoru a ∇𝑛 𝒓 jeho gradient. dr/ds je vlastně jednotková tangenta tunit k cestě paprsku v r. K lepší představě slouží Obr. 20. V homogenním prostředí, respektive ve vláknech se skokovou změnou indexu lomu, je index lomu n nezávislé na r, takže

𝑑2𝑟 𝑑𝑠 2

= 0. Vztah mezi r a

s je r = as + b, což znamená, že paprsek jde směrem a a prochází bodem b. Tedy že v homogenních prostředích je paprsek přímka.

27

Obr. 20: Proměnné v eikonálové rovnici cesty paprsku[35]

Definujeme si parametr cesty t dle [35] jako:

𝑡=

𝑑𝑠 𝑑𝑠 𝑑2 𝒓 → 𝑑𝑡 = → 2 = 𝑛 𝒓 ∇𝑛 𝒓 = 𝑫(𝒓) 𝑛 𝑛 𝑑𝑡

(3.7)

Tangenta t cesty paprsku je určena jako t = dr/dt = n tunit. Po definování t a t přepíšeme rovnici 2.6 a dostáváme: 𝑑𝒕 = 𝑛 𝒓 ∇𝑛 𝒓 = 𝑫(𝒓) 𝑑𝑡

(3.8)

Tato diferenciální rovnice prvního řádu určuje dráhu paprsku při počátečních podmínkách r0 (polohový vektor paprsku na začátku jeho trajektorie) a t0, což je n(r0)-krát jednotková tangenta tunit k paprsku v r0. K řešení této rovnice byl v práci [35] využit Runge-Kutta algoritmus třetího řádu. Současně je ale potřeba zahrnout do výpočtu strukturu zúženého vlákna, kde se mění rozložení indexu lomu. Gradient indexu lomu se od zbytku vlákna liší v přechodové oblasti o délce L a oblasti pasu o délce L0. jak je znázorněno na Obr. 21. Pro popis poloměru zužující se části vlákna, pokud bereme jako počátek osy z místo, kde začíná zužování, je v případě exponencionálního přechodu využita rovnice 3.9 dle [35]

𝜌 𝑧 = 𝜌0

𝜌0 𝜌𝑚𝑖𝑛

𝑧 − 𝐿

(3.9)

kde 𝜌0 a 𝜌𝑚𝑖𝑛 jsou poloměry nezúženého vlákna a pasu a L je délka této části.

28

Obr. 21: Průřez zúžené části vlákna. Tečkované čáry jsou hladiny s konstantním indexem lomu jsou[35].

Protože uvažujeme, že profil indexu lomu ve v zužujícím se vlákně je stejný jako v nezúžené části a že vzdálenost hladiny konstantního indexu lomu d od osy vlákna odpovídá vzdálenosti této hladiny v nezúženém vlákně r, můžeme dle [35] psát: 𝑑 𝑟 𝜌0 𝑑 = →𝑛 𝑟 =𝑛 =𝑛 𝜌(𝑧) 𝜌0 𝜌 𝑧

𝜌0 𝜌𝑚𝑖𝑛

𝑧 − 𝐿

𝑑 = 𝑛(𝑑, 𝑧)

(3.10)

A protože je profil indexu lomu n(r) známý jako kvaziparabolický s exponentem g dle [35] získáváme

𝑛(𝑟) = 𝑛1 1 − 2∆

𝑟 𝜌0

𝑔

(3.11)

kde n1 je maximum indexu lomu ve středu vlákna a n2 minimum na jeho okraji a ∆ dle [35] 𝑛12 − 𝑛22 ∆= 2𝑛12

(3.12)

po dosazení získáváme výslednou rovnici dle [35]:

𝑛(𝑑, 𝑧) = 𝑛1 1 − 2∆𝜌0

−𝑔 𝑑 𝑔

𝜌𝑚𝑖𝑛 𝜌0

𝑧𝑔 − 𝐿

(3.13)

Současně protože d=(x2+y2)1/2, můžeme gradient n napsat jako:

29

𝜕𝑛 𝜕𝑛 𝜕𝑛 ∇𝑛 = , , 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧

𝑇

=

𝑥

𝜕𝑛 𝑦 𝜕𝑛 𝜕𝑛 , , 𝑥 2 + 𝑦 2 𝜕𝑑 𝑥 2 + 𝑦 2 𝜕𝑑 𝜕𝑧

𝑇

(3.14)

Po substituci d za (x2+y2)1/2 pak získáváme ∇𝑛 jako funkci ve tvaru potřebném pro numerické řešení eikonálové rovnice. Pro oblast pasu máme podle [35] 𝑛(𝑑, 𝑧) = 𝑛1 1 − 2∆𝜌𝑚𝑖𝑛 −𝑔 𝑑 𝑔

(3.15)

a rozšiřující se přechodová oblast má podobný postup jako zužující se oblast. Numerické řešení eikonálové rovnice pak vede k možnosti simulování, v tomto případě, struktur ve vlákně s postupnou změnou indexu lomu.

Obr. 22: Ilustrace závislosti vyvazování paprsků na délce přechodové oblasti. Na a) se při délce 2mm vyváže 5 paprsků, na b) se při délce 10mm vyváže paprsků 7[35].

V práci [35] se kromě samotného mapování trasy paprsků zabývali i vlivem rozměrů struktury na vyvazování paprsků z vlákna. Je zřejmé, že velice krátké přechodové oblasti vedou k velkému vyvazování záření, protože tyto paprsky se na krátké vzdálenosti dostatečně neohnou a dostanou se tedy do pláště, odkud se vyzáří do okolí. Tento trend samozřejmě ustupuje s rostoucí délkou přechodové oblasti. Bylo ale zjištěno, že po určité délce pro daný poměr zúžení ztráty opět začnou narůstat. Pro objasnění je zde Obr. 22, na kterém jsou přechodové oblasti lišící se jen v délce. Jak bylo zjištěno, ztrácejí se paprsky, jejichž počáteční vzdálenost od osy vlákna je větší než jakási prahová vzdálenost, rozdělující paprsky na ty které opustí a které neopustí vlákno. Na Obr. 23 je pak poměr přenesené energie a jeho závislost na indexu lomu okolí a poměru zúžení. Je patrné, že čím víc je oblast pasu užší, tím se rozšiřuje oblast citlivosti vlákna na okolní index lomu. 30

Obr. 23: Poměr energie přenesené na konec vlákna v závislosti na indexu lomu okolí a poměru zúžení[35].

3.3.2.4.

Využití taperovaných vláken pro biosenzory

Zúžená vlákna našla uplatnění skoro ve všech oblastech snímání, kde se snímá pomocí evanescentní vlny. V zúžené oblasti dochází kromě vyvazování záření z jádra do pláště i ke zvýšení frekvence odrazu parsků. Právě díky zvýšení frekvence dopadů paprsků na rozhraní vlákna a okolí dochází k zesílení evanescentní vlny a tedy k výraznému zlepšení vazby mezi zářením ve vlákně a okolím vlákna. Podobný efekt má zvyšování délky pasu, protože se zvětšuje aktivní oblast snímání a tím i vliv snímaného jevu na záření. Zúžená vlákna dala vznik například vláknové spektroskopii evanescentní vlnou, kdy se do zúženého optického vlákna pouští infračervené záření a po přiložení ke vzorku biomolekul se změní spektrum záření. A protože každá biomolekula má své specifické absorpční spektrum, dá se podle něj i dobře rozlišit[39]. Evanescentní vlna je využívána nejen v absorpčních a intenzitních senzorech, ale i v těch, které pracují na principech fluorescence a povrchové plazmonové rezonance (více o těchto principech v další kapitole). Pomocí zúžených vláken lze dobře detekovat mnoho druhů bakterií, proteinů a biomolekul a určit i jejich koncentraci v okolí senzoru. Například Escherichia Coli nebo jiné bakterie či proteiny mohou být detekovány navázáním protilátek na vlákno a následným zachycováním hledaných částic. Lze monitorovat i růst kolonie bakterií, které vylučují fluorescentní protein; konkrétně byl sledován kmen E. Coli JM 101 [22]. Kromě detekce látek se evanescentní vlnou velice často měří pH. Zejména pomocí chemických látek navázaných na vlákno, které v závislosti na pH okolí mění svůj index lomu nebo vlnovou délku, na které září. 31

4. Simulace v programu BeamPROP Součástí této diplomové práce je v softwarovém nástroji BeamPROP navrhnout taperovaný vláknový senzor pro měření pH. Simulace v programu BeamPROP se zakládají na metodě šíření svazku (BPM - Beam Propagation Method), která řeší Helmholtzovu rovnici v časové oblasti. Tento softwarový nástroj je plně integrovaný v návrhovém prostředí RSoft CAD. Taperovaná vlákna využívají ke snímání evanescentní vlnu a je tedy možné sledovat změny ve spektru a v intenzitě signálu. Protože ale v nástroji BeamProp nelze sledovat změny ve spektru signálu, je návrh senzoru zaměřen na maximální citlivost ke změně indexu lomu okolí zúžené oblasti. Pro práci byly simulovány jak tapery jednovidových, tak vícevidových vláken. Ke snímání pH se více využívá vícevidových vláken, protože nás většinou zajímá objekt v malé vzdálenosti, takže jejich vyšší útlum nehraje velkou roli, a protože více záření může pomocí evanescentní vlny reagovat s okolím. Protože simulovaná struktura měla značné rozměry a simulace probíhaly s rozlišením 0,1µm ve všech třech osách, bylo pro urychlení simulace využíváno možnosti počítání kruhově symetrických 3D objektů ve dvourozměrném prostoru. To probíhá v cylindrické soustavě souřadnic za pomoci radiální verze CrankovyNicolsonovy metody pro 2D [37].

4.1. Jednovidová vlákna Simulace jednovidových vláken je vzhledem k rozměrům výpočetně jednodušší a vhodnější pro srovnání s reálnými výsledky, protože již proběhly studie zkoumající evoluci módů v zúžených jednovidových vláknech[19, 33]. Pro simulaci byly zvoleny parametry tak, aby co nejlépe odpovídaly reálným hodnotám klasického SMF-28 vlákna dle standardu ITU-T G.652D [38]. Parametry optického vlákna jsou v Tab. 2. Simulováno bylo na vlnové délce 1550nm. Jádro Průměr jádra 8,2µm

Plášť Průměr pláště 125µm

Index lomu 1,447

Index lomu 1,444

Tab. 2: Parametry jednovidového vlákna

Na Obr. 24 je schéma zúžené části vlákna. Zelenou barvou je znázorněno jádro, modrou pak plášť vlákna. Komponenta Analyt sloužila pro nastavení indexu lomu okolí taperu. Záření je počítáno ve směru osy z, která je podélnou osou vlákna. Rozměry struktury 32

podél osy z byly předmětem zkoumání. Komponentou, které se délka podél osy z neměnila, byla část vlákna před a za zúženou oblastí sloužící k ustálení šíření záření vláknem. Obě tyto části měly shodnou délku 4mm. Pro návrh taperu bylo potřeba zjistit, při jaké konfiguraci bude výkon na výstupu z vlákna nejcitlivější ke změnám indexu lomu okolí taperu. Touto konfigurací je myšlen tvar přechodové oblasti, délka přechodové oblasti a poměr průměru pasu vůči průměru vlákna.

Obr. 24: Řez strukturou jednovidového zúženého vlákna rovinou XZ v programu BeamPROP.

Jako první bylo zjišťováno, do jaké míry je přenos ovlivňován tvarem přechodové oblasti taperu. Odsimulovány byly tři profily přechodu - lineární, sinusový a exponenciální. Pomocí softwarového nástroje RSoft MOST pak bylo možné nechat vypočítat grafické znázornění závislosti velikosti přeneseného výkonu na poměru zúžení vlákna a indexu lomu v komponentě Analyt. Délka přechodové oblasti byla nastavena na 10mm a délka pasu na 5mm. Celá struktura pak podél osy Z byla dlouhá 33mm. Poměr zúžení vlákno : pas byl nastaven v rozsahu od 300:1 do 20:1, což převedeno na průměr pasu je od 417nm do 6,25µm a index lomu nabýval hodnot od 1,2 do 1,44 s krokem 0,005. Na Obr. 25 je výstup pro senzor s lineárním přechodem, na Obr. 26 je výstup pro senzor s sinusovým přechodem a na Obr. 27 je výstup pro senzor s exponenciálním přechodem. Se zvyšujícím se poměrem dochází ke zvyšování citlivosti přenášeného výkonu pro všechny profily. Je vidět, že u všech profilů také dochází nad úrovní poměru zúžení o hodnotě 250:1 k výraznému úbytku přenášeného výkonu již pro index lomu okolí 1,2. 33

Obr. 25: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru s lineárním profilem přechodové části na poměru zúžení a indexu lomu analytu.

Obr. 26: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru se sinusovým profilem přechodové části na poměru zúžení a indexu lomu analytu.

34

Obr. 27: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru s exponenciálním profilem přechodové části na poměru zúžení a indexu lomu analytu.

Obr. 28: Poměr vstupního a výstupního výkonu v závislosti na indexu lomu analytu pro různé profily přechodové oblasti při šířce pasu 625nm

35

Velice zjednodušeně řečeno, hledáme na grafických výstupech nejširší barevný přechod z červené na fialovou, které reprezentují hodnoty 1 a 0. Profily lze dobře porovnat při hodnotě poměru zúžení 200:1 jako na Obr. 28. Z tohoto obrázku je patrné, že při poměru zúžení 200:1 má sinusový přechod nejstrmější odezvu, ale v užším pásu než exponenciální a lineární přechod. Sinusový přechod tedy vykazuje vyšší citlivost na změnu indexu lomu analytu v okolí indexu lomu n = 1,35. Protože ale přesné hodnoty indexu lomu analytů nejsou známy, je třeba uvažovat širší pásmo citlivosti. Potom se jako nejvhodnější profil přechodové oblasti jeví exponenciální. I když další simulace probíhaly se všemi profily přechodové oblasti, budeme se věnovat jen těm s exponenciálním profilem. Grafické výstupy pro sinusový a lineární profil přechodové oblasti jsou v příloze B. Následující simulace probíhaly se záměrem zjištění trendu pro délku přechodové oblasti. Simulováno bylo opět s poměrem zúžení 200:1, délkou pasu 5mm a se stejným rozsahem indexu lomu analytu jako v předchozích simulacích. Simulace v nástroji RSoft MOST probíhala pro délky přechodové oblasti od 1mm do 15mm. Ukázalo se, že pro délky kratší než 5mm je výstupní křivka značně zvlněná a pro délky vyšší než 10mm dochází ke zmenšení pásma citlivosti a tedy nárůstu senzitivity. Jako kompromis mezi šířkou pásma a senzitivitou přichází v úvahu délka přechodové oblasti kolem 7mm.

Obr. 29: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru s exponenciálním profilem přechodové části na délce přechodové oblasti a indexu lomu analytu.

36

Posledním potřebným parametrem byla délka pasu. Opět byl použit exponenciální profil, délka přechodových oblastí byla nastavena na 7mm a poměr zúžení na 200:1. V nástroji RSoft MOST byl poté nastaven rozsah délky pasu od 0,1mm do 20mm.

Obr. 30: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru s exponenciálním profilem přechodové části na délce pasu a indexu lomu analytu.

Obr. 31: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru s exponenciálním profilem přechodové části na délce pasu a indexu lomu analytu - detail pro délku pasu kratší než 2mm.

37

Výstupem simulace je Obr. 30, z něhož je patrné, že narůstající délka pasu od cca 2mm nemá vliv na přenášený výkon záření. Na Obr. 31 je detail pro oblasti pasu kratší než 2mm pro přesnější zjištění začátku tohoto trendu. V reálných situacích však délka pasu na přenášený výkon vliv má, a to docela značný. Problém u simulace je zřejmě v tom, že zde je pas ideálně homogenní bez jakýchkoliv nerovností a vychýlení z osy, kdežto reálné tapery není technicky možné dovést do takovéhoto stupně homogenity. Proto se v simulaci energie vytrácí jen na začátku pasu, kde se vyzáří ta část, která nevyhovuje podmínce šíření vláknem a zbytek už projde bez dalších ztrát celým zúžením nezávisle na jeho délce. U reálných taperů se část vyzáří na začátku pasu a další části energie se vyzáří na nehomogenitách pasu.

Obr. 32: Graf závislosti útlumu senzoru na indexu lomu okolí vlákna pro strukturu s exponenciálním profilem přechodové oblasti o délce 7mm a 10mm.

Z jednotlivých simulací byla zjištěna konfigurace, která maximalizuje citlivost vlákna na index lomu okolí zúžené oblasti v dostatečně širokém rozsahu indexu lomu. Na Obr. 32 je výsledná křivka závislosti útlumu vlákna na indexu lomu okolí zúžené oblasti ze simulace s parametry: exponenciální profil přechodové oblasti, délka přechodové oblasti = 7mm, délka pasu = 5mm a poměr zúžení 200:1. Na oblasti indexu lomu od 1,3 do 1,4 bylo dosaženo citlivosti 2,2dB/0,01RIU. Se samotnou realizací návrhu takovéhoto zúženého vlákna by ale 38

byl značný problém. V článku Theoretical analysis and fabrication of tapered fiber S.W. Harun a kol. ukazují, že adiabatickým zužováním se správně nastavenou horkou zónou a natahovacím aparátem, lze dosáhnout poměrně přesného exponencionálního profilu přechodové oblasti a submikronové šířky pasu[34].

4.2. Vícevidová vlákna Simulace vícevidových vláken je vůči jednovidovým vláknům výpočetně náročnější, ale protože by vícevidové vlákno mělo být schopno lépe interagovat s okolím pomocí evanescentní vlny, jsou očekávány lepší výsledky. Navíc by vícevidové vlákno mělo být vhodnější pro měření pH. Pro simulaci byly zvoleny parametry vlákna typu Optran® Polyimid HWF, což je PCS vlákno od společnosti Ceramoptec®. Parametry optického vlákna jsou v Tab. 3. Simulováno bylo na vlnové délce 1550nm. Jádro Průměr jádra 200µm

Plášť Průměr pláště 230µm

Index lomu 1,447

Index lomu 1,4

Tab. 3: Parametry vícevidového vlákna

Obr. 33: Řez strukturou zúženého vlákna rovinou XZ v programu BeamPROP.

39

Na Obr. 33 je schéma zúžené části vlákna. Stejně jako u jednovidového vlákna, i zde je zelenou barvou znázorněno jádro a modrou plášť vlákna. Komponenta Analyt sloužila pro nastavení indexu lomu okolí taperu. Opět jedinou komponentou, které se délka podél osy Z neměnila, byla část vlákna před a za zúženou oblastí sloužící k ustálení šíření záření vláknem. Obě tyto části měly shodnou délku 4mm. Pro návrh senzoru bylo nutné zjistit, při jakých parametrech struktur bude výkon na výstupu z vlákna nejcitlivější ke změnám indexu lomu okolí vlákna. Stejně jako v předchozích simulacích nás zajímá tvar přechodové oblasti, délka přechodové oblasti a poměr průměru pasu vůči průměru vlákna. Protože bylo simulováno vlákno typu PCS, byl nakonec plášť v simulacích nastaven jako neaktivní, protože pro případ taperování vlákna by plášť byl stejně odstraněn. Kvůli značným rozdílům oproti jednovidovému vláknu jsou očekávány jiné optimální hodnoty pro hledané parametry. První simulace opět proběhly pro profily přechodových části, tedy pro lineární, sinusový a exponenciální profil a pro poměry zúžení. Druhý zmiňovaný parametr byl ve zcela jiných rozměrech než pro případ jednovidových vláken. Simulace tedy proběhly v následující konfiguraci: délka přechodové oblasti - 5mm, délka pasu - 5mm, index lomu okolí - 1,2 až 1,44 s krokem 0,005 a poměr zúžení 1:1 až 3:1 s krokem 0,1.

Obr. 34: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru s exponenciálním profilem přechodové části na poměru zúžení a indexu lomu analytu.

40

Pro simulace s vyšším poměrem zúžení byla křivka odezvy velice zvlněná a nevhodná pro měření. Protože výstupy simulací vypadají velice podobně, je zde uveden jen výstup pro senzor s exponenciálním přechodem na Obr. 34. Se zvyšujícím se poměrem dochází k rozšiřování pásma citlivosti přenášeného výkonu pro všechny profily a současně ke zvlnění odezvy. Protože voda má index lomu na všech vlnových délkách lehce nad 1,3, byly hledány parametry pro maximální citlivost na rozsahu indexu lomu od 1,3 do indexu lomu jádra. Na základě tohoto poznatku byl vybrán poměr zúžení 2:1, kde mají struktury požadovaný rozsah pásma citlivosti. Graf pro porovnání odezvy senzoru s různými profily přechodové části při poměru zúžení je na Obr. 35. Oproti charakteristice u jednovidových vláken je tato značně zvlněná, ačkoliv krok simulace byl stejný. Na základě tohoto grafu není zcela jasné, jaký profil přechodové oblasti je pro návrh senzoru nejvhodnější.

Obr. 35: Poměr vstupního a výstupního výkonu v závislosti na indexu lomu analytu pro různé profily přechodové oblasti při poměru zúžení 2:1.

Další simulace prováděné za účelem nalezení ideální délky přechodové oblasti tedy probíhaly pro všechny profily přechodové oblasti. Simulováno bylo s poměrem zúžení 2:1, délkou pasu 5mm a se stejným rozsahem indexu lomu analytu. Simulace v nástroji RSoft 41

MOST probíhaly pro délky přechodové oblasti od 1mm do 15mm. Protože výstupy byly opět velice podobné, na ukázku byl použit jen výstup pro exponenciální přechod Obr. 36. Ukázalo se, že charakteristika je zvlněná na celém simulovaném rozsahu u všech profilů. Nejméně zvlněná charakteristika byla nalezena u exponenciálního přechodu s délkou 2,5mm. Protože hodnoty na délce vznikly interpolací, byl následně přechod o délce 2,5mm odsimulován zvlášť. Protože byl graf s výstupy všech tří profilů přechodových oblastí s délkou 2,5mm nepřehledný, je na Obr. 37 jen výstup pro exponenciální profil.

Obr. 36: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru s exponenciálním profilem přechodové části na délce přechodové oblasti a indexu lomu analytu.

42

Obr. 37: Poměr vstupního a výstupního výkonu v závislosti na indexu lomu analytu pro exponenciální profil přechodové oblasti při poměru zúžení 2:1 a délce pasu 2,5mm.

Posledním nezjištěným parametrem byla opět délka pasu. K simulacím byl použit exponenciální profil, délka přechodových oblastí byla nastavena na 2,5mm a poměr zúžení na 2:1. V nástroji RSoft MOST byl poté nastaven rozsah délky pasu od 0,1mm do 12mm. Výsledky byly očekávány podobné jako u jednovidového vlákna, protože i zde je pas zcela homogenní a k vyvazování záření tedy dojde jen v krátké oblasti na začátku pasu. Simulace dopadla podle předpokladu, jak je vidět na Obr. 38. Proto byla navíc provedena simulace ke zjištění chování při délce pasu 0mm až 0,2mm. Výsledek této simulace byl podobný výsledku na Obr. 38, jen charakteristika byla více hladká, což je patrné na Obr. 50, kde je vedle křivky pro délku pasu 5mm i křivka pro délku pasu 10µm. Protože je cílem získat co možná nejvíc plochou odezvu, pro senzor byla zvolena délka pasu o rozměrech odpovídajících rozměrům přechodové oblasti, tedy 1mm.

43

Obr. 38: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru s exponenciálním profilem přechodové části na délce pasu a indexu lomu analytu.

Obr. 39: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru na délce pasu, pro velice krátký pas je charakteristika hladší.

44

Obr. 40: Graf závislosti útlumu senzoru na indexu lomu okolí vlákna před a po optimalizaci parametrů struktury.

Zjištěné parametry senzoru, které maximalizují citlivost vlákna k indexu lomu okolí zúžené oblasti a které podporují maximálně plochou křivku odezvy, byly: exponenciální profil přechodové oblasti, délka přechodové oblasti = 2,5mm, délka pasu = 1mm a poměr zúžení 2:1. Na Obr. 40 je výsledná křivka závislosti útlumu vlákna na indexu lomu okolí zúžené oblasti ze simulace se zjištěnými parametry v porovnání s křivkou z první simulace bez optimalizovaných parametru. Na oblasti indexu lomu od 1,3 do 1,44 bylo dosaženo citlivosti 0,4dB/0,01RIU. Oproti jednovidovému vláknu je zde veliká výhoda ve vyšší mechanické pevnosti senzoru, avšak na úkor citlivosti. Realizace takového senzoru by oproti jednovidovému byla znatelně jednodušší. Výroba by tedy měla být možná za použití běžného regulovatelného hořáku s natahovacím mechanismem. Problémem by opět mohla být oblast pasu, která by v případě nehomogenního profilu mohla mít za následek zvýšení útlumu prvku.

45

5. Realizace a měření Samotné měření vycházelo z refraktometrické metody za použití methylenové modři, která by měla umocnit intrinsický efekt pH na hodnotu indexu lomu v okolí senzoru, jak bylo uvedeno v [29, 30]. Zúžená vlákna nebyla využita v žádném z těchto článků a díky jejich vlastnostem se předpokládal pozitivní vliv na citlivost měření. Jak bylo zmíněno v předešlé kapitole, samotná realizace simulovaných struktur je velice obtížná a k měření bylo využito zúžených jednovidových a vícevidových vláken, které byly k dispozici. Celkem měření proběhlo na třech zúžených vláknech, z nichž jedno bylo klasické jednovidové SMF-28 dle standardu ITU-T G.652D a dvě vícevidová vlákna typu Optran® Polyimid HWF, což je PCS vlákno od společnosti Ceramoptec®. Vlákna s tapery byla 50 cm dlouhá a parametry jednotlivých vláken jsou v Tab. 4. Profily přechodových oblastí nebyly známy. PCS vlákna byla po stranách zúžené části přilepena na sklíčko Obr. 41, jednovidové vlákno nikoliv. Parametry vlákna

Parametry taperu

Vzorek č.

Typ vlákna

∅ jádra/∅ pláště[µm]

1 2 3

jednovidové vícevidové vícevidové

8,2/125 200/230 200/230

Délka přechodové oblasti[mm] 10 10 10

Délka pasu[mm]

Průměr pasu[µm]

10 10 10

20 60 60

Tab. 4: Parametry zúžených vláken

Obr. 41: Detail zúženého vlákna na sklíčku

46

Útlum (1550nm) [dB] 3,2 14,3 6,4

První série měření probíhala se vzorkem č. 2 podle schématu na Obr. 42. Jako zdroj sloužila halogenová lampa Ocean Optics HL 2000 HLSA. Širokospektrální zdroj se zdál být lepší variantou, protože z větší části eliminoval problém s ohýbáním vlákna a následnou fluktuací přenášeného výkonu, který byl odečítán z měřiče optického výkonu Thorlabs PM20 na vlnové délce 1550nm. Vlákno s taperem bylo uchyceno v SMA rychlokonektorech, které mají vyšší útlum než běžné SMA konektory. Ke zdroji a k měřiči výkonu vedla 1m dlouhá SMF-28 optická vlákna. Po zapojení pracoviště byl senzor očištěn v isopropylenu a zapojen takovým koncem směrem k lampě, aby na výstupu byl co nejnižší útlum (rozdíl zapojení cca 4 dB) tedy -21,5dBm3. Samotné měření pak probíhalo ve dvou fázích.

Obr. 42: Zjednodušené schéma měření

V první fázi, proběhlo měření běžně dostupných kapalin, vzorek byl postupně vložen do misky obsahující ocet, následně čaj, roztok na čočky, mýdlový roztok a nakonec nápoj Magnesia. pH roztoků bylo měřeno pH metrem Voltcraft PH-100ATC. Po vložení do kapaliny se hodnota přenášeného výkonu rychle ustálila. Taperované vlákno bylo mezi měřením jednotlivých látek potřeba zbavit částic látky předchozí, což se ukázalo být velikým problémem. Kvůli křehkosti senzoru bylo možné čistit jen chemicky ponořením do isopropylenu (na základě prvního měření bylo ze seznamu vyřazeno mléko, které se v isopropylenu sráží), který ovšem neomýval všechny látky stejně. Částečným řešením se ukázala být, vedle koupele v isopropylenu, i koupel v octu.

3

Hodnota se liší od té v Tab.4, protože v tabulce je uvedena hodnota pro buzení laserem a zde byl využit širokospektrální zdroj.

47

Obr. 43: Měření útlumu běžných kapalin vzorkem č.2

V průběhu měření senzor značně degradoval, útlum prvku byl na konci měření cca 2x vyšší (o 2,6dB). V důsledku kontaminace předchozí látkou a nezafixováním přívodních vláken hodnota výkonu u každé látky v jednotlivých sériích měření kolísala a nepřinášela věrohodnou informaci o pH látky viz. Obr. 43. Přestože se jednalo o vodné roztoky, není zde patrný žádný trend, což může být způsobeno širokou škálou látek v kapalinách. Methylenové modři nebylo v tomto měření využito. Ve druhé fázi bylo využito kalibrační sady chemikálií GAK 014 pro pH metr. K dispozici tedy byly tři roztoky o pH 4, 7 a 10. Protože roztoky vznikaly rozpuštěním kapsle v destilované vodě, dal se předpokládat jejich podobný index lomu. Výsledky na Obr. 44 ukazují na trend snižujícího se útlumu s rostoucím pH, což koresponduje s poznatky z podkapitoly 3.2.3. Lišící se hodnoty v jednotlivých sériích byly zřejmě způsobeny vlivy jako v první fázi měření.

48

Obr. 44: Měření útlumu analytů vzorkem č.2

Další měření se od těchto prvních lišila použitím laseru jako zdroje při stejném schématu měření z Obr. 42. Současně byla z měření vyřazena obě spojovací SMF-28 vlákna sloužící ke spojení zdroje, taperu a měřiče výkonu. Jako zdroj sloužil CoBrite-DX4 od firmy ID Photonics. Laser z tohoto zdroje byl nastaven na vlnovou délku 1550nm a výkon 6dBm. Protože konce taperu byly v SMA rychlokonektorech, bylo potřeba mezi vlákno ze zdroje s FC/PC konektorem a taper vložit ještě převodové vlákno (obě vlákna SMF-28). Útlum na konci převodového vlákna byl ≈1dB. Jednotlivé tapery byly před použitím omyty v isopropylenu, aby byly zbaveny nečistot. Následně pracoviště z Obr. 45 doznalo několika změn, respektive sestava byla fixována. K měření použity jen analyty o pH 4, 7 a 10 z kalibrační sady GAK 014 a na omývání byla použita destilovaná voda, protože sloužila k samotné přípravě roztoků.

49

Obr. 45: Měřící pracoviště

Obr. 46: Taperované vlákno v misce s analytem na pomocném papíru se značkami

Jako první bylo připraveno jednovidové zúžené vlákno, tedy vzorek č. 1, které mělo ze tří taperů nejnižší útlum. Zde byl ale značný problém, protože nebylo pevně uchyceno na 50

žádný pevný podklad, což vedlo k extrémnímu namáhání zúžené oblasti. Bylo pozorováno, že přenášený výkon po vložení do analytů značně fluktuoval, k čemuž u vícevidových taperů nedocházelo. Toto chování mohlo být způsobeno citlivější strukturou jednovidového taperu a interakcí lepidla s analytem v okolí zúžené oblasti. Proto bylo následně upuštěno od měření s jednovidovými vlákny.

Obr. 47: Měření útlumu analytů vzorkem č.3.

Se vzorkem č.3 proběhly 3 série měření ve třech analytech, jejichž výsledek je znázorněn na Obr. 47. Vždy po vyjmutí z nádoby s analytem byl taper vložen do destilované vody, aby se omyly případné zbytky analytu. Mezi jednotlivými sériemi byla destilovaná voda měněna za čistou. Protože bylo využíváno jen analytů bez organických příměsí a taper byl vhodně omýván, nebyl pozorován vliv kontaminace. Hodnota velikosti přeneseného výkonu se ustálila během několika vteřin a eliminací vlivu ohybů se podařilo zvýšit opakovatelnost měření. S rostoucím pH klesal útlum, přibližně o 0,13dB/pH. Směrodatné odchylky měřených hodnot při opakovaném měření byly ± 0,05 dB. Před začátkem měření s methylenovou modří ale došlo ke zničení vzorku. Pokračovalo se tedy opět se vzorkem č. 2. Nejprve byly odměřeny 3 série měření s roztoky. Hodnoty výkonu se opět rychle ustálily, ale oproti vzorku č.3 měl tento vyšší útlum. Protože i když po rozměrové stránce byly vzorky stejné, tak i drobný rozdíl ve struktuře má velký vliv na vidové rozložení přenášeného záření, 51

což vede k rozdílné propustnosti. Nicméně na Obr. 48 je opět patrný trend klesajícího útlumu s rostoucím pH. Směrodatné odchylky měřených hodnot při byly pro pH 4 a 7 ± 0,05 dB a ±0,08 dB pro pH 10. Mezi roztoky s pH 4 a 7 je pokles útlumu vyšší(2dB) než mezi roztoky s pH 7 a 10(0,6dB).

Obr. 48: Měření útlumu analytů vzorkem č.2

Pro měření byl zakoupen roztok methylenové modři s koncentraci 156mmol/l. Do nádoby s 60ml analytu byl roztok po kapkách přidáván. Koncentrace methylenové modři v analytu tedy odpovídala 0,1mmol/l*počet kapek. Proces adsorpce byl pomalý a hodnota přeneseného výkonu se pomalu měnila. Kapání proto probíhalo v osmiminutových intervalech, když se hodnota ustálila. Na Obr. 49 je graf s naměřenými průběhy a na Obr. 50 je poté vykreslena změna přeneseného výkonu v závislosti na molární koncentraci methylenové modři v analytu. Účinky methylenové modři na zmenšení útlumu rostou se zvyšujícím se pH i s rostoucí molaritou, což koresponduje s poznatky z [30]. Při molární koncentraci 0,4mmol/l přispívají účinky k navýšení odezvy přibližně o 0,1db/pH.

52

Obr. 49: Měření účinku methylenové modři na útlum analytů

Obr. 50: Graf změny útlumu v závislosti na koncentraci methylenové modři v analytech

Měření ukázalo, že velice významnou roli při snímání pH různých roztoků hraje schopnost dostatečně omýt senzor před použitím v jiném roztoku. Navíc kromě toho, že tapery jsou sami o sobě jako struktury velice křehké a nevhodné k manipulaci, byl problém se 53

zabezpečením dostatečně přesného rozmístění měřícího prvku, respektive s potlačením vlivu ohybů vlákna. To se dá do jisté míry zařídit použitím širokospektrálního zdroje nebo pevným zafixováním senzoru po celé délce vlákna, ale tím by se ztratila jedna z jeho předností. Další možností je upravit pracoviště tak, aby ohyby při snímání byly po kalibraci vždy stejné, tedy by senzor byl například vkládán do analytů pomocí elektronického systému. S dostupnými zúženými vlákny se podařil prokázat trend snižujícího se útlumu s rostoucím pH, minimálně na daných analytech. Při použití jen tří pH roztoků ale nelze tento trend více specifikovat. Na základě měření můžeme vyloučit snad jen lineární charakter v celém rozsahu. Směrodatné odchylky měřených hodnot při opakovaném měření byly ± 0,05 dB. Dále se potvrdilo, že methylenová modř má pozitivní vliv na zvýšení citlivosti senzoru na pH. Pro koncentraci 0,4mmol/l se citlivost zlepšila o 0,1dB/pH. Bohužel na lékařských pracovištích je zapotřebí monitorování pH v okolí pH = 7 s rozlišením v řádu setin pH. To by teoreticky dle simulací s taperovaným vláknem mělo být možné, ale s měřenými vlákny, bez dodatečných úprav pracoviště, nereálné.

54

6. Závěr Úkolem této práce bylo navrhnout a následně odměřit optovláknový pH senzor. Protože bylo snahou měřit pH refraktometrickou metodou, bylo třeba zajistit zesílení vazby mezi okolním prostředím senzoru a vedeným zářením. To bylo realizováno pomocí zúžení vlákna. K návrhu struktury bylo využito návrhového prostředí RSoft CAD a k simulacím nástroj BeamPROP. Simulováním byly získány parametry struktury zúženého vlákna, se kterými senzor vykazuje maximální citlivost k indexu lomu okolí. Tyto parametry byly: profil přechodové oblasti, délka přechodové oblasti, délka pasu a poměr zúžení. Senzor na klasickém jednovidovém vlákně SMF-28 by pak měl mít exponenciální profil přechodové oblasti o délce 7mm, 5mm dlouhý pas a poměr zúžení 200:1, což odpovídá pasu o průměru 625nm. Při této konfiguraci bylo na rozsahu indexu lomu okolí od 1,3 do 1,4 dosaženo citlivosti 2,2dB/0,01RIU. Pro vícevidové PCS vlákno Optran® Polyimid HWF byly také následně zjištěny parametry senzoru, respektive exponenciální profil přechodové oblasti o délce 2,5mm, 1mm dlouhý pas a poměr zúžení 2:1. Na oblasti indexu lomu od 1,3 do 1,44 bylo dosaženo citlivosti 0,4dB/0,01RIU. Oproti jednovidovému vláknu má výhodu ve vyšší mechanické pevnosti senzoru, avšak na úkor citlivosti. Ze simulací také vyplynulo, že délka pasu nemá značný vliv na přenášený výkon. U reálných taperů však délka pasu přenášený výkon ovlivňuje. Rozdíl byl v tom, že u simulací byl pas ideálně homogenní bez jakýchkoliv nerovností a vychýlení z osy, kdežto reálné tapery takto homogenní nejsou. Proto se v simulaci energie vytrácí jen na začátku pasu, kde se vyzáří ta část, která nevyhovuje podmínce šíření vláknem a zbytek už projde bez dalších ztrát celým zúžením nezávisle na jeho délce. U reálných taperů se část vyzáří na začátku pasu a další části energie se vyzáří na nehomogenitách pasu. Následné měření proběhlo s několika vzorky zúžených vláken, jejichž parametry se ale od těch navrhovaných značně lišily. Pro měření bylo využito pH kalibrační sady analytů. Na daných analytech byl pozorován trend nelineárně se snižujícího útlumu s rostoucím pH. Dále se potvrdilo, že methylenová modř má pozitivní vliv na zvýšení citlivosti senzoru na pH. Pro koncentraci 0,4mmol/l se citlivost zlepšila o 0,1dB/pH. Bohužel na lékařských pracovištích je zapotřebí monitorování pH s rozlišením v řádu setin pH, což s danými vzorky a laboratorním vybavením nebylo možné dosáhnout. Navíc je zde i problém s očištěním senzoru od 55

původního vzorku. Samotné omývání struktur, jakými zúžená vlákna jsou, je velice problematické, protože není možné mechanické odstranění nečistot. Proto by tento typ senzoru byl vhodnější pro využití k trvalému měření pH v jednom vzorku. Pro získání přesnějších výsledků, by bylo zapotřebí získat širší spektrum analytů s různým pH a současně zúžená vlákna s navrhovanými parametry.

56

7. Zdroje [1] ALWAYN, V. Optical network design and implementation. Indianapolis, In: Cisco Press, c2004, xxxi, 809 p. ISBN 978-1-58705-105-0. [2] TANWIR, S. Construction of Optic Fibers [online prezentace]. 2007 [cit. 2014-12-07]. Dostupné z: http://stanwir.seecs.nust.edu.pk/Lectures/FOCS/Fiber%20Construction.pdf [3] GRATTAN, K. T. V. a B. T. MEGGITT. Optical fiber sensor technology: advanced applications : Bragg gratings and distributed sensors. Boston: Kluwer Academic, c2000, x, 385 p. ISBN 07-923-7946-2. [4] BOCK, W. J., P. MIKULIC a T. EFTIMOV. A Novel Fiber-Optic Tapered Long-Period Grating Sensor for Pressure Monitoring. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2007, vol. 56, issue 4, s. 1176-1180 [5] VERMA, R. K., A. K. SHARMA a B.D. GUPTA. Surface plasmon resonance based tapered fiber optic sensor with different taper profiles. In: Optics Communications. 2008, s. 1486-1491 [6] FIDANBOYLU, K. a EFENDIOGLU, H.S. Fiber Optic Sensors and Their Applications. In: Proceedings of 5th International Advanced Technologies Symposium, Karabuk, Turkey, 2009 [7]. DONLAGIC, D. a B. CULSHAW. Microbend sensor structure for use in distributed and quasi-distributed sensor systems based on selective launching and filtering of the modes in graded index multimode fiber. In: Journal of Lightwave Technology. 1999, s. 1856-1868 [8] LÓPEZ-HIGUERA, J. M. Handbook of optical fibre sensing technology. New York: Wiley, 2002, xxix, 795 p. ISBN 04-718-2053-9. [9] DUŠEK M. a M. MAZANEC. SAFIBRA, s.r.o., Říčany. Fyzikální principy optických a optovláknových snímačů: Učební texty k semináři. 2012. Dostupné z: http://www.crr.vutbr.cz/system/files/brozura_06_1206.pdf [10] KAŠÍK, I., V. MATĚJEC a M. CHOMÁT. Senzory: Optical chemical sensors. Praha, 2007, s. 169-185. ISBN 978-80-86238-20-3. [11] YIN, S., .K. W. CHUNG a X. ZHU. A novel all-optic tunable long-period grating using a unique double-cladding layer. In: Optics Communications. 2001, s. 181-186 [12] GUPTA, B.D. Fiber optic sensors: Principles and applications. New Delhi: New Indian Publishing Agency, 2006. ISBN 978-818-9422-110. [13] SHARMA, A. K., R. JHA a B. D. GUPTA. Fiber-Optic Sensors Based on Surface Plasmon Resonance: A Comprehensive Review. In: IEEE Sensors Journal. 2007, s. 11181129 [14] LEE, B. H., Y. H. KIM, K. S. PARK, J. B. EOM, M. Jin KIM, B. S. RHO a H. Y. CHOI. Interferometric Fiber Optic Sensors. In: Sensors. 2012, s. 2467-2486 [15] VRBOVÁ, Miroslava. Lasery a moderní optika - oborová encyklopedie. 1. vyd. Praha: Prometheus, 1994, 474 s. ISBN 80-858-4956-9. [16] REICHEL, J. Polarizace světla. Multimediální encyklopedie fyziky. [online]. 27.12.2014 [cit. 2014-12-27]. Dostupné z: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/462-polarizacesvetla 57

[17] BEJČEK, L. Vláknová optika v řídicí a měřicí technice [online]. Brno, 2002 [cit. 201412-27]. Dostupné z: http://www.dufi.net/black/BOOKS_cz/_ELEKTRO/ele%20knihy/ Vláknová optika v řídicí a měřicí technice.pdf [18] PASCHOTA, R., LP modes In: Encyclopedia of Laser Physics and Technology [online], dostupné z: , [cit. 2014-10-26] [19] RAVETS, S., J. E. HOFFMAN, P. R. KORDELL, J. D. WONG-CAMPOS, S. L. ROLSTON, L. A. OROZCO, D. LUKOFSKY a P.E. KLINGSPORN. Intermodal energy transfer in a tapered optical fiber: optimizing transmission. Journal of the Optical Society of America A. 2013, vol. 30, issue 11 [20] TIAN, Y., W. WANG, N. WU, X. ZOU a X. WANG. Tapered Optical Fiber Sensor for Label-Free Detection of Biomolecules. In: Sensors. 2011, s. 3780-3790 [21] VILLATORO, J., D. MONZÓN-HERNÁNDEZ a E. MEJÍA. Fabrication and Modeling of Uniform-Waist Single-Mode Tapered Optical Fiber Sensors. In: Applied Optics. 2003, s. 2278-2283 [22] MARALDO, David, P. Mohana SHANKAR a Raj MUTHARASAN. Measuring bacterial growth by tapered fiber and changes in evanescent field. In: Biosensors and Bioelectronics. 2006, s. 1339-1344 [23] KORYTA J. a K. ŠTULÍK: Iontově-selektivní elektrody, Academia, Praha 1984 [24] WOLTHUIS, R., D. MCCRAE, E. SAASKI, J. HARTL a G. MITCHELL. Development of a medical fiber-optic pH sensor based on optical absorption. In: IEEE Transactions on Biomedical Engineering. s. 531-537 [25] KAŠÍK, I., O. PODRAZKÝ, J. MRÁZEK, T. MARTAN, V. MATĚJEC, K. HOYEROVÁ a M. KAMÍNEK. In vivo optical detection of pH in microscopic tissue samples of Arabidopsis thaliana. In: Materials Science and Engineering. 2013, s. 4809-4815 [26] SAUNDERS, C. a P. J. SCULLY. Distributed plastic optical fibre measurement of pH using a photon counting OTDR. In: Journal of Physics: Conference Series. 2005-01-01, s. 6166 [27] JEON, D., W. J. YOO, J. K. SEO, S. H. SHIN, K. T. HAN, S. G. KIM, J. Y. PARK a B. LEE. Fiber-optic pH sensor based on sol-gel film immobilized with neutral red. In: Optical Review. 2013, s. 209-213 [28] RAYSS, J. a G. SUDOLSKI. Ion adsorption in the porous sol–gel silica layer in the fibre optic pH sensor. In: Sensors and Actuators B: Chemical. 2002, s. 397-405 [29] DEBOUX, B.J.-C., E. LEWIS, P.J. SCULLY a R. EDWARDS. A novel technique for optical fiber pH sensing based on methylene blue adsorption. In: Journal of Lightwave Technology. s. 1407-1414 [30] JEON, Y.-H., J.-J. KWON a B.-H. LEE. Study on pH Sensor using Methylene Blue Adsorption and A Long-Period Optical Fiber Grating Pair. In: Journal of the Optical Society of Korea. 2006-03-01, s. 28-32 [31] Optical Absorption of Methylene Blue. Oregon Medical Laser Center. [online]. 7.12.2014 [cit. 2014-12-07]. Dostupné z: http://omlc.org/spectra/mb/ [32] ZHOU, Xinlei, Qingxu YU a Wei PENG. Simultaneous measurement of down-hole pressure and distributed temperature with a single fiber. Measurement Science and Technology. 2012, vol. 23, issue 8

58

[33] FIELDING, A.J., K. EDINGER a C.C. DAVIS. Experimental observation of mode evolution in single-mode tapered optical fibers. Journal of Lightwave Technology. vol. 17, issue 9, s. 1649-1656 [34] HARUN, S.W., K.S. LIM, C.K. TIO, K. DIMYATI a H. AHMAD. Theoretical analysis and fabrication of tapered fiber. Optik - International Journal for Light and Electron Optics. 2013, vol. 124, issue 6, s. 538-543 [35] ARRUE, J., JIMENÉZ, F., ALDABALDETREKU, G., DURANA, G., ZUBIA, J., LOMER, M. a MATEO, J. Analysis of the use of tapered graded-index polymer optical fibers for refractive-index sensors. Opt. Express. 2008, vol. 16, issue 21, s. 16616–16631 [36] Evanescent Wave Induced Fluorescence Microscopy. The University of Melbourne Ultrafast and Microspectroscopy Laboratories. [online]. 26.12.2014 [cit. 2014-12-26]. Dostupné z: http://uml.chemistry.unimelb.edu.au/research/evanescent-wave-inducedfluorescence-microscopy/ [37] RSoft BeamPROP 8.2 manual, 2010 [38] ITU-T G.652. Characteristics of a single-mode optical fibre and cable. 2009. [39] LUCAS, J., B. BUREAU, C. BOUSSARD-PLEDEL, J. KIERSE, M.-J. ANNE, P. LUCAS a M. RILEY. Infrared evanescent wave bio-sensors. The 17th Annual Meeting of the IEEELasers and Electro-Optics Society, 2004. LEOS 2004. 2004, s. 823-824.

59

8. Seznam obrázků Obr. 1: Módy v optických vláknech[18] .................................................................................... 3 Obr. 2: Vznik evanescentní vlny[36] ......................................................................................... 4 Obr. 3: Základní sestava systému s optovláknovým senzorem .................................................. 5 Obr. 4: SMS struktura senzoru a její citlivost[7] ....................................................................... 7 Obr. 5: Transmisní a reflexní konfigurace senzorů. ................................................................... 8 Obr. 6: Konfigurace systému pro měření teploty na principu vyzařování černého tělesa[12] ... 9 Obr. 7: Snímací oblasti fluorescenčních senzorů[6] ................................................................ 10 Obr. 8: Optické vlákno se senzorem na bázi rezonance povrchového plazmonu[13] ............. 11 Obr. 9: Spektrum odraženého signálu[32] ............................................................................... 12 Obr. 10: Diagram Mach-Zehnderova interferometru ............................................................... 13 Obr. 11: Fabry-Pérotův interferometr[6] .................................................................................. 14 Obr. 12: Sagnacův interferometr .............................................................................................. 15 Obr. 13: Senzor s modulací otočení roviny polarizace [17]. .................................................... 16 Obr. 14: Chemická struktura methylenové modři .................................................................... 20 Obr. 15: Změny v přenosu záření v závislosti na koncentraci methylenové modři a pH[30] .. 21 Obr. 16: Uniformní vláknová mřížka[3]. ................................................................................. 23 Obr. 17: Symetrická struktura zúženého optického vlákna ...................................................... 24 Obr. 18: Intenzita záření vedeného zúženým jednovidovým optickým vláknem[5] ............... 25 Obr. 19: Sestava určená pro přípravu zúžených optických vláken[34] .................................... 26 Obr. 20: Proměnné v eikonálové rovnici cesty paprsku[35] .................................................... 28 Obr. 21: Průřez zúžené části vlákna[35]. ................................................................................. 29 Obr. 22: Ilustrace závislosti vyvazování paprsků na délce přechodové oblasti[35]. ............... 30 Obr. 23: Poměr energie na výstupu v závislosti na indexu lomu okolí a poměru zúžení[35].. 31 Obr. 24: Řez strukturou zúženého vlákna rovinou XZ v programu BeamPROP. ................... 33 Obr. 25: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru s lineárním profilem přechodové části na poměru zúžení a indexu lomu analytu. .................................................... 34 Obr. 26: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru se sinusovým profilem přechodové části na poměru zúžení a indexu lomu analytu. ..................................... 34 Obr. 27: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru s exponenciálním profilem přechodové části na poměru zúžení a indexu lomu analytu. ..................................... 35

60

Obr. 28: Poměr vstupního a výstupního výkonu v závislosti na indexu lomu analytu pro různé profily přechodové oblasti při šířce pasu 625nm ..................................................................... 35 Obr. 29: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru s exponenciálním profilem přechodové části na délce přechodové oblasti a indexu lomu analytu. ..................... 36 Obr. 30: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru s exponenciálním profilem přechodové části na délce pasu a indexu lomu analytu. ............................................ 37 Obr. 31: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru s exponenciálním profilem přechodové části na délce pasu a indexu lomu analytu ............................................. 37 Obr. 32: Graf závislosti útlumu senzoru na indexu lomu okolí vlákna pro strukturu s exponenciálním profilem přechodové oblasti o délce 7mm a 10mm. ...................................... 38 Obr. 33: Řez strukturou zúženého vlákna rovinou XZ v programu BeamPROP. ................... 39 Obr. 34: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru s exponenciálním profilem přechodové části na poměru zúžení a indexu lomu analytu. ..................................... 40 Obr. 35: Poměr vstupního a výstupního výkonu v závislosti na indexu lomu analytu ............ 41 Obr. 36: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru s exponenciálním profilem přechodové části na délce přechodové oblasti a indexu lomu analytu. ..................... 42 Obr. 37: Poměr vstupního a výstupního výkonu v závislosti na indexu lomu analytu pro exponenciální profil přechodové oblasti při poměru zúžení 2:1 a délce pasu 2,5mm. ............ 43 Obr. 38: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru s exponenciálním profilem přechodové části na délce pasu a indexu lomu analytu. ............................................ 44 Obr. 39: Graf závislosti poměru výstupního a vstupního výkonu senzoru na délce pasu, pro velice krátký pas je charakteristika hladší. ............................................................................... 44 Obr. 40: Graf závislosti útlumu senzoru na indexu lomu okolí vlákna před a po optimalizaci parametrů struktury. ................................................................................................................. 45 Obr. 41: Detail zúženého vlákna na sklíčku ............................................................................. 46 Obr. 42: Zjednodušené schéma měření .................................................................................... 47 Obr. 43: Měření útlumu běžných kapalin vzorkem č.2 ............................................................ 48 Obr. 44: Měření útlumu analytů vzorkem č.2 .......................................................................... 49 Obr. 45: Měřící pracoviště........................................................................................................ 50 Obr. 46: Taperované vlákno v misce s analytem na pomocném papíru se značkami .............. 50 Obr. 47: Měření útlumu analytů vzorkem č.3 .......................................................................... 51 Obr. 48: Měření útlumu analytů vzorkem č.2 .......................................................................... 52 Obr. 49: Měření účinku methylenové modři na útlum analytů ................................................ 53 Obr. 50: Graf změny útlumu v závislosti na koncentraci methylenové modři v analytech ..... 53 61

9. Seznam tabulek Tab. 1: Vybrané acidobazické indikátory ................................................................................ 18 Tab. 2: Parametry jednovidového vlákna ................................................................................. 32 Tab. 3: Parametry vícevidového vlákna ................................................................................... 39 Tab. 4: Parametry zúžených vláken ......................................................................................... 46

62

10. Seznam použitých zkratek TE - transverzálně elektrický TM - transverzálně magnetický LP - lineárně polarizovaný LED - light-emitting diode OTDR - optical time-domain reflectometry CCD - charge-coupled device PPV - povrchová plazmonová vlna TEOS - tetraethoxysilan MB - methylene blue FBG - fiber Bragg gratings LPG - long-period fiber grating BPM - beam propagation method RIU - refractive index unit PCS - Plastic-clad silica

63

11. Seznam příloh Příloha A - Naměřené hodnoty* Příloha B - Grafické výstupy simulací Příloha C - Skripty k simulacím struktury senzoru z prostředí BeamPROP Příloha D - produktový list kalibrační sady GAK 014

* - obsaženo i v tištěné verzi této práce

12. Obsah přiloženého CD Složka Dokumenty obsahuje elektronickou verzi této práce ve formátu .pdf Složka Přílohy obsahuje výše uvedené přílohy Složka Obrázky obsahuje obrázky použité v práci

64

13. Tištěné přílohy Příloha A - Naměřené hodnoty Kapalina

pH

ocet magnesia mýdlový roztok černý čaj roztok na čočky

2,37 5,58 5,97 5,98 7,14

Přenesený výkon [dBm] 2. měření -24,4 -25,2 -24,7 -25,5 -24,9

1. měření -24,1 -24,3 -24,3 -25,2 -24

3. měření -26,6 -26,2 -25 -26,6 -25,2

Výsledky měření se vzorkem č.2 na běžných kapalinách

pH 4 7 10

Přenesený výkon [dBm] 2. měření -31,6 -30,1 -29,9

1. měření -31,3 -29,8 -29,4

3. měření -33,2 -30,8 -30,4

Výsledky měření se vzorkem č.2 na analytech z kalibrační sady GAK014

pH 4 7 10

Přenesený výkon [dBm] 2. měření -12,2 -11,8 -11,5

1. měření -12,2 -11,8 -11,4

3. měření -12,3 -11,7 -11,4

Výsledky měření se vzorkem č.3 na analytech z kalibrační sady GAK014

pH 4 7 10

Přenesený výkon [dBm] 2. měření -19,4 -17,3 -16,7

1. měření -19,5 -17,4 -16,9

3. měření -19,4 -17,4 -16,8

Výsledky druhého měření se vzorkem č.2 na analytech z kalibrační sady GAK014

Koncentrace MB pH 4 7 10

0,1mmol/l -19,4 -17,3 -16,5

0,2mmol/l 0,3mmol/l Přenesený výkon [dBm] -19,3 -19,2 -17,2 -17 -16,3 -16,2

0,4mmol/l -19,2 -16,9 -16

Výsledky měření se vzorkem č.2 na analytech z kalibrační sady GAK014 po přidání methylenové modři

65